Análasis de situaciones extremas para la caracterización del canal

155N: 0214-4557
Física de la Tierra
2000, 12, 337-351
Análisis de situaciones extremas para la caracterización del canal ionosférico en comunicaciones HF
G. MIRÓ
Estación de Sondeos Atmosféricos «El Arenosillo». Instituto Nacional de Técnica
Aeroespacial, (Nra. San Juan del Puerto-Matalascañas Km. 33, 21130, Huelva, España
5, M. RADICELLA
Laboratorio de Aeronomía y Radiopropagación, Abdus Satam ICTP, Trieste, ltaly
M. HERRAIZ
Opto. de Geofísica y Meteorología, Universidad Complutense, Madrid, Spain
B. A. DE LA MORENA
Estación de Sondeos Atmosféricos «El Arenosillo», INTA, Huelva, España
RESUMEN
Habitualmente, para determinar los principales parámetros medios que intervienen en la radiopmpagacidn HP, se consideran perfiles medios mensuales para
cada hora de densidad electrónica obtenidos a partir de medidas experimentales o de
modelos. El método utilizado se basa en las conocidas técnicas de trazado de rayos.
En este artículo se introduce el concepto de worst cases para defmir las condiciones
extremas de propagación HP mediante perfiles individuales obtenidos para una
hora y una estación determinada. La selección se realiza a partir de las distribuciones de frecuencias acumuladas de la frecuencia crítica de la capa F2. Los perfiles
horarios del período 1993-1997, obtenidos con la Digisonda 256 en El Arenosillo,
se introducen en el programa de trazado de rayos para caracterizar las condiciones
extremas de comunicación en un enlace entre dos puntos próximos. En los cálculos
se ha asumido una Ionosfera esféricamente simétrica. Los resultados indican que
para el intervalo comprendido entre las 8:00 UT y las 18:00 UT es posible transmitir
incluso en las condiciones más adversas.
Palabras clave: Radiopropagación HF, Perfiles ionosféricos, Casos Extremos,
Trazado de rayos.
ABSTRACT
Mean HP radiopropagation parameters obtained with raytracing tecimiques are
usually determined by model or experimental average electron density proflíes for
a given time and location. In this paper the concept of «worst cases» is introduced
to define extreme conditions of propagation, using series of individual profiles for
a given hour and season and cumulative distributions for key profile parameters.
«Worst case» conditions of radiopropagation for short distance links have been
characterised by applying a 20 raytracing program to hourly digisonde profiles
obtained at El Arenosillo in dic period 1993-1997. Spherically stratified ionosphere has been assumed in the calculations. The results show the possibility of
337
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G, Miró y otros
Análisis de situaciones extremas para la caracterización del canal...
transmitting even in the «worst cases» during the 8:00 IJT-l8:00 UT hours inter-
val.
Kcy words: HP radiopropagation, Density profiles, «Worst Cases», Raytracing.
1.
INTRODUCCIÓN
Para establecer un enlace de comunicación entre dos puntos, es esencial
conocer el medio donde se propagan las señales, y las trayectorias que éstas
siguen desde el transmisor al receptor, caracterizando el canal dc transmisión. El caso particular que se trata, considera señales con frecuencias entre
3 y 30 MHz (High Frequency, 1-IP) que viajan a través de las distintas capas
de la Ionosfera (80-2000 Km de altura). Este tipo de comunicaciones tienen
aplicación para enlaces a grandes distancias tanto en el campo militar como
civil.
Entre los parámetros de radiopropagación que caracterizan e! canal ionosférico destacan principalmente, la frecuencia de operación y el ángulo de
elevación de la señal HP. Para completar el estudio pueden añadirse, el
tiempo de retardo experimentado por la onda desde el transmisor al receptor
y la altura del punto donde la señal es reflejada. El cálculo de estos parámetros se efectúa por medio de técnicas de trazado de rayos que se basan en teorías de óptica geométrica. Estas técnicas describen la trayectoria experi-
mentada por el rayo, basándose en las condiciones del canal de transmisión
ionosférico. El estado de la Ionosfera en el momento de la transmisión, se introduce a través de los perfiles de densidad electrónica calculados a partir de
innogramas horarios experimentales o de modelos teóricos o experimentales
(International Reference lonospheric IRI, Di Giovanni-Radicella model,
DGR, entre otros). Los ionogramas medidos experimentalmente són obtenidos a partir de la digisonda DG5256. En la Figura 1, se muestra el ionograma
correspondiente a la Estación de Sondeos Atmosféricos del INTA en El
Arenosillo (37.1N, 353.3E), del día 19 de Agosto de 1998 a las 13:00 UT horas. En este caso, pueden distinguirse perfectamente las capas E, F1 y F2, de
la Ionosfera.
Por otro lado, para el estudio del comportamiento medio, se consideran métodos desarrollados recientemente (l-Iuang y Reinisch, 1996), que proporcionan
dichos perfiles medios a una hora fija, a partir de los perfiles de un período
dado, por ejemplo, un mes.
En este trabajo se introduce el concepto de condiciones extremas para
identificar situaciones donde las características de propagación difieren substancialmente de estas condiciones medias. Para definir estas condiciones extremas se recurre a métodos estadísticos, obteniendo las distribuciones de frecuencias acumuladas de un parámetro clave de la Ionosfera: La frecuencia
crítica de la capa F2, foF2.
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2000, 12, 337-35 1
338
6, Miró ji otros
Análisis de situaciones extremas para la caracterización del canal...
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Figura 1. lonograma vertical de INTA-EI Arenosillo
2.
METODOLOGÍA
Aunque la base de datos ionosféricos disponibles en la Estación de Sondeos Atmosféricos del INTA en El Arenosillo (Huelva) proviene del año 1974,
los perfiles de densidad electrónica empiezan a ser calculados en 1993, a partir
de la adquisición de la digisonda DG5256 que proporciona los ionogramas de
forma digital (Figura 1). De este modo, para este estudio, se consideran perfiles
instantáneos y medios para todas las horas del período 1993-1997. Como se ha
indicado anteriormente, el método para obtener la media del perfil para cada
hora, está descrito en Huang y Reinisch (1996).
Para seleccionar los casos extremos, se realizan para cada hora, las distribuciones de frecuencias acumuladas de la frecuencia crítica de la capa F2,
medida directamente de los ionogramas, incluyendo todos los años disponibles
(1993-1997). Previamente, se han revisado y corregido manualmente todos
los datos lonosféricos de la base digital considerada, mediante programas in-
formáticos (ARTIST, ADEP) diseñados por la Universidad de Lowell (USA).
Las curvas de las distribuciones de frecuencias acumuladas resultantes,
permiten elegir el 1% de los casos con los valores de foF2 superiores e infe339
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O, Miró y otros
Análñris de situaciones extremas para la caracterización del canal...
•
00:00 UT
•
06:00
•
02:00
UT
04:00 UT
•
08:00 UT
•
10:00 UT
•
UT
1
50 100 150 2<
50 100 150 200
foF2 <0.1 MHz>
foF2 (0.1 MHz)
•
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•
14:OOUT
16:00 UT
18:00 UT
20:00 UT
22:00 UT
A
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A
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1
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50 ‘ña 150
fo F2 (0.1 MHz>
1.375
foF2 (0.1 MHz)
1.434
1.451
1.433
1.440 1.427
Figura 2. Distribución de frecuencias acumuladas defoF2 en el período J993-1997.
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340
Análisis de situaciones extremas para la caracterización del canal...
O, Miró y otros
riores. Los perfiles correspondientes a este 1% de casos se escogen para calcular de forma independiente, la media superior e inferior para cada hora. En
definitiva, se separan aquellas situaciones que presentan un comportamiento extremo.
En la Figura 2, se muestran para algunas horas, las distribuciones de frecuencias acumuladas correspondientes al parámetro foF2 de todos los días de
los años 1993 a 1997, en el INTA-El Arenosillo.
Los perfiles medios que corresponden a estas condiciones, extremas y medias, aparecen en la Figura 3. Para cada hora, aparecen tres perfiles de densidad
electrónica que corresponden al perfil medio considerando el 1% de casos con
menor foF2, al perfil medio del 1% de casos con mayor foF2 y al perfil medio
de todas las situaciones.
En cada gráfica se pueden observar las diferencias entre las alturas de pico
(máximo de densidad electrónica) y las frecuencias máximas para los casos extremos y medios, correspondientes a todas las horas del día. Estos perfiles representan las condiciones ionosféricas, es decir, el estado del canal por el que se
transmiten las señales hasta alcanzar el receptor.
Una vez seleccionadas las distintas situaciones, extremas y medias, se calculan los principales parámetros de caracterización del canal ionosférico. La
técnica de trazado derayos elegida para este estudio considera que la lonosfe-
350
350-
3m
3m-
3%
250
250-
U0
250
200
50
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50-
150
3m-
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350-1
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—
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4
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8
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30
2
Seleedón inferior
- Figura 3. Perfiles de densidad electrónica medios para cada hora.
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Físico de la Tierra
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4%.
350-
350
250.
3%.
3%
2842-
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2542
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200-
200
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350-
350-
3%
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3%.
250
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¡2
2000, 12. 332-351
lO
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6
8
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—
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16:00 LII
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2
4
6
8
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Selección inferior
Figura 3. Perfiles de densidad electrónica medios para
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4
6
8
Fr50sta (MHz>
~ 200~
50-
15.mtjf
0
-~
2
cada hora.
lO
1
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350.
350.
350-
3m.
3%.
3%-
250-
230i
250~ 2%
1 150-
~ 350.
1%-
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50.
o.
O
2
4
6
8
lO
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4
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12
350-
350
350-
3%.
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3%,
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250
~ 150
1%
150.
3%.
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0
2
4
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4
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Selección superior
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Perfiles totales
lO
—
50
12
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8
lO
¡2
M~
Selección inferior
Figura 3. Perfiles de densidad electrónica medios para cada hora.
ra que atraviesa la señal, es bidimensiona] y desprecia el campo magnético y las
colisiones entre iones y partículas neutras (Moorhea4 y Radicella,1998). La segunda condición sólo es asumible para frecuencias superiores a 6 MHz.
El programa se denomina abcrayO3 y está basado en los estudios realizados
por Croft (1968, 1969) sobre técnicas de trazado de rayos y modelos ionosféricos
cuasiparabólicos. Considera la Ionosfera dividida en pequeñas capas con índice
de refracción constante y dibuja la trayectoria del rayo paso a paso, mediante una
forma modificada de la conocida Ley de Snell. De este modo, trazando el camino del rayo se definen los puntos ti y c de la Figura 4.
Estos puntos b y e y el centro de curvatura definen un triángulo que permite
aplicar la ley del seno:
sen
=
sen $6 Pb
—
PC
Por otro lado, en el punto c. la ley de Snell puede representarse como:
sen
& = sen fi~ Mc
Pb
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O, Miró y otros
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Rayo
Punto e
Punto b
y
,1
4,
pe
A
Figura 4. Geometría del trazado de rayo.
donde y,, y ¡~ son los índices de refracción de los puntos b y e respectivamente.
Igualando obtenemos:
~
p,, sen
13,, = Y,, P,,
sen ¡3,,
3. ANALISIS DE DATOS
Mediante esta técnica de trazado de rayos comentada en el apartado anterior,
se obtienen la frecuencia de operación, el tiempo de retardo de la señal desde el
transmisor al receptor, el ángulo de elevación y la altura del punto de apogeo. El
programa traza todos los rayos que salen desde el transmisor cuya frecuencia y
ángulo de elevación se sitúen dentro del rango deseado. Es decir, realiza un banido en frecuencia y ángulo de elevación, para seleccionar aquellas señales que
alcanzan el receptor. En este estudio, el rango de frecuencias se establece en el
intervalo de 2 a 15 MHz y el de ángulos de elevación, de 6 a 60 grados.
Las condiciones del canal de transmisión para cada hora, son introducidas
con los distintos perfiles medios mostrados anteriormente en la Figura 3.
Para este estudio, se ha escogido un enlace entre dos estaciones ionosféricas
españolas, IiNTA-EI Arenosillo (37.lN, 353.3E) y el Observatorio del Ebro
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344
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(40.SN, O.SE), que distan unos 785Km, considerando sólo los casos de trans-
misión con un único rebote en la Ionosfera.
Para cada hora, se obtienen tres caracterizaciones diferentes, correspondientes a distintas condiciones del medio: la media de todos los años, y las selecciones del 1% de casos con foF2 inferior, y del 1% de casos con foF2 superior.
Si se representa el camino recorrido por la onda, P’, que es proporcional al
tiempo de retardo de la señal, frente la frecuencia, se obtiene un ionograma
oblicuo. En cada ionograma se observa el número de rayos que alcanzan el receptor para cada una de las frecuencias (rebotes) y permite seleccionar en
cada caso cuáles de éstas son óptimas. Los ionogramas oblicuos para algunas
de las horas calculadas están representados en la Figura 5. De igual modo, han
sido calculados los ángulos de elevación y alturas de apogeo.
180000:00 UT
1600
1400
1200
1000
e
800
600
U 1 2 3 4 5 43E ! 8 9101112131415
frecuencia <MHZ)
180006:00
UT
1600
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1200
1000
800
600
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frecuencia (MHz)
¡
~
•
e
A
Medios
Selección inferior
Selección superior
Figura 5 lonogranias oblicuos para distintas horas,
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2
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1
1
1
1
1
o-
frecuencia (MHz)
180018:00
UT
1600
1400
E 1200
2
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1000
o- 800
600
01 2 3 456789
101112131415
frecuencia (MHz)
—
-.
—
—
•
•
A
L—.—.
K
Medios
Selección inferior
Selección superior
Figura 5. Ionogran,as oblicuos para distintas horas (continuación)
Si seleccionamos de forma independiente cada frecuencia del intervalo estudiado (2-15 MHz), y se representa su evolución respecto a la hora del día, pueden
observarse las frecuencias que se transmiten en cada hora y para cada circunstancia, extrema o media. A pesar de que sólo las frecuencias superiores a 6 MHz
permiten la suposición que desprecia el campo magnético, se ha elegido este intervalo para dar una infonnación más completa de la evolución de las frecuencias.
En la Figura 6 se muestra la variación horaria del camino de grupo (P’),
para algunas de estas frecuencias.
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3.5 MHz
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•
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Selección inferior
Selección superior
Figura 6. Evolución horaria a ftecuencias fijas.
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sc
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Horas
1600
7.5 MHz
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Horas
8.5 MHz
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Horas
u
o
A
Medios
Selección inferior
Selección superior
Figura ó. Evolución horaria a frecuencias fijas (continuación).
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O. Miró y otros
3.
Análisis de situaciones extremas para la caracterización del canal...
CONCLUSIONES
El método descrito permite estimar la frecuencia de operación, el ángulo de
elevación, la altura del punto de apogeo y el tiempo de retardo para condiciones
medias y extremas.
Los resultados muestran que durante las horas diurnas, es decir, para el intervalo aproximado de 8:00 IJT a 18:00 UT horas, existen frecuencias que se
transmiten bajo las tres condiciones estudiadas. De este modo, eligiendo una
frecuencia de operación para cada hora diurna, en general entre 6 y 8 MHz, la
señal sería recibida bajo cualquier condición ionosférica.
Sin embargo, en las horas nocturnas, las frecuencias para las que se establece el enlace entre transmisor y receptor en todas las circunstancias, son extremadamente bajas (2 y 3 MHz), y por las limitaciones indicadas anteriormente no deben ser consideradas en este tipo de técnicas de trazado de rayos
donde el campo magnético se supone despreciable. Por tanto, la transmisión a
frecuencias superiores a 6 MHz, para estas horas, sólo es posible para condiciones ionosféricas que incluyan una concentración de electrones anormalmente elevada.
Desde el punto de vista de las comunicaciones HP, las situaciones más peligrosas son aquellas que producen una importante disminución de la frecuencia crítica de la capa F2 porque ello puede provocar la pérdida de la señal. La
Tabla 1 muestra para las 24 horas del día, el número de rebotes correspondientes a este 1% de situaciones más desfavorables (columna 3), comparado
con el número correspondiente a la totalidad de las situaciones (columna 2).
Puede observarse que sólo entre las 8 y las 16 horas UT, este número es aceptable, lo que indicaque únicamente en horas de elevada iluminación seda posible transmitir bajo cualquier condición.
La necesidad de crear un conjunto de datos suficientemente extenso para los
cálculos estadísticos que constituyen la base de este estudio, ha motivado la in-
clusión de toda la base ionosférica disponible en El Arenosillo (1826 datos
aproximadamente), sin establecer distinciones entre diferentes actividades solares y geomagnéticas, estaciones del año, etc... Como consecuencia, debe
considerarse que los resultados y conclusiones responden a todo tipo de situaciones ionosféricas.
Además, se han considerado sólo datos obtenidos en la Estación de Sondeos
de El Arenosillo, punto del transmisor, sin considerar la información aportada
por los perfiles disponibles en el Observatorio del Ebro. Dado que la distancia
que separa ambos puntos, unos ‘785 Kms, permite un enlace con un solo rebote ionosférico, y que por tanto, la reflexión se situaría próximo al punto medio,
un cálculo más exhaustivo consideraría una interpolación entre ambos perfiles
de densidad electrónica; Sin embargo, la necesidad de agrupar el mayor número
posible de días y horas ha motivado de nuevo esta aproximación, ya que las
muestras de ambos observatorios no eran siempre coincidentes.
349
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G, Miró y otros
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casos totales
casos inferiores
25
25
25
25
4:00
5:00
4
7
1
1
6:00
4
0
0
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
16
23
2
19
28
17
13
83
75
77
68
83
71
74
70
61
17:00
27
13
48
18:00
19:00
24
19
6
25
20:00
21:00
22:00
23:00
15
II
6
3
3
2
1
16
20
18
17
17
6
25
14
Tabla 1. Porcentaje de casos que alcanzan el receptor.
4.
REFERENCIAS
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