PROPAGATION VLF/LF/HF Rolland FLEURY Télécom Bretagne 2014

PROPAGATION VLF/LF/HF

Rolland FLEURY

Télécom Bretagne

Télécom Bretagne/Dépt . MOpage 2page 2page 2

Spectre radioélectrique

Bandes VLF-LF-MF-HF

Règlement des radiocommunications - normalisation

Union Internationale des Télécommunications (UIT/ITU), site http://www.itu.int

Télécom Bretagne/Dépt . MOpage 4page 4page 4page 4page 4page 4page 4page 4

SOMMAIRE

Météorologie de l’espace (‘Space Weather’)Propagation VLF/LFPropagation HFBruit atmosphériqueLogiciel de prévisionsBibliographie

Télécom Bretagne/Dépt . MOpage 5page 5page 5page 5page 5

Météorologie de l’espace

L’atmosphère terrestre

> 600 km EXOSPHERE Collisions peu fréquentesParticules en orbites balistiques

80-600 kmTHERMOSPHERE Ionisation par le rayonnement solaire X-EUV IONOSPHERE

30-80 km MESOSPHERE Absorption des rayons solaires UV par l’ozone

11-30 km STRATOSPHERE Turbulence

0-11 km TROPOSPHERE Phénomènes météorologiques

Télécom Bretagne/Dépt . MOpage 6

Propagation VLF/HF : milieux concernés : ionosphère + surface du sol

Ionosphère = plasma électriquement neutre• particules neutres (n2,o2,o)• particules chargées (ions +, électrons)

Densité électronique Ne: nb d’électrons par unité de volume Équation de continuité Ne : traduit l’équilibre entre la production, la

recombinaison, les mouvements Production par le rayonnement UV et RX émis par le Soleil (ex O2)

Profil de densité électronique sous forme de régions stratifiées verticalement (couches ionosphériques) : D, E, F entre 80 et 800 km)

eOhO 22

Télécom Bretagne/Dépt . MOpage 7page 7page 7page 7

Distribution de l’ionisation en fonction de l’altitude

Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 8page 8page 8page 8page 8page 8page 8page 8

L’activité solaire• Tâches solaires• Indice et cycles solaire

Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 9page 9page 9page 9page 9page 9page 9

Chaine du processus

Activité solaire : protubérances et éruptions

Relations Soleil-Terre

Perturbation du champ magnétique et zones en latitude magnétique

Calotte polaire

Zone aurorale

Aurores boréales

Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 14

Perturbation de l’ionosphère : Evolution horaire de la foF2

SOMMAIRE

Météorologie de l’espacePropagation VLF/LFPropagation HFBruit atmosphériqueLogiciel de prévisionsBibliographie

Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 16page 16page 16page 16page 16page 16

Propagation VLF/LF

Fréquences basses : 3-70 KHz Grandes longueurs d’onde (λ=c/f)

• 3 kHz 100 km• 70 kHz 4 km

Atténuation faible • 2-3 dB/1000 km en VLF• > 5 dB/1000 km en LF

Propagation sur de grandes distances (5000-20000 km) Pénétration dans l’eau de mer (atténuation : qq dB/m) Antennes de grande dimension Emetteurs puissants (~100 kW) Application : liaisons marines et sous-marins

Propagation VLF/LF

Méthode des bonds

• Pt puissance rayonnée (kW)• L longueur du trajet dans l’ionosphère (km)•

IIRII coefficient de réflexion ionosphérique• D facteur de focalisation ionosphérique• Ft facteur d’antenne d’émission• Ψ angle au sol entre la direction de l’onde et l’horizontale Formules pour 2 et 3 bonds + pertes au sol Onde de sol : modèle ‘grwave’ (UIT-R P368) Abaques pour calculer tous les paramètres (UIT-R P684)

tDIIIIt

PmmVE ...cos.

300)/(

Propagation VLF/LF Méthode des bonds (UIT-R P684)

Propagation VLF/LF

Méthode des bonds : 60 KHz

JOUR NUIT

Propagation VLF/LF

Méthode des modes1 mode = 1 état résonant du guide =1 valeur discrète d’angle d’incidence sur l’ionosphère Objectif : trouver les angles complexes solution de l’équation modale

d= altitude initiale

• De d vers l’ionosphère

• De d vers le sol

// plan parallèle au plan d’incidence┴ plan perpendiculaire au plan d’incidence

Rd traduit un coefficient de réflexion : Rd=champ réfléchi / champ incident

iRr avec i=onde incidente , r=onde réfléchie

Méthodes numériques très complexes

)()()(

//////

01)().()( dd RRF

Propagation VLF/LF

Méthode des modes : Paramètres de la solution angle θ, type de mode, taux d’affaiblissement (dB/km), vitesse de

phase, amplitude et phase du facteur d’excitation Calcul du champ total (amplitude/phase) :• Sommation modale sur toutes les distances correspondant à

un guide horizontalement homogène• Discontinuités possibles

Ionosphère (jour/nuit)

Champ magnétique (intensité, direction)

Sol (terre, mer, glace)

• Les discontinuités traitées par une conversion de modes

Propagation VLF/LF

Entrées du logiciel Émetteur : position, puissance, hauteur antenne Récepteur : position, altitude antenne Ionosphère : conductivité

fp fréquence plasmaν fréquence de collisions électrons-particules neutres

Forme exponentielle

β gradient électronique (km-1)h’ altitude de référence

Modèle ‘standard’ ou profils discrets

JOUR β=0.3 h’=74 zones d’application

NUIT β=0.5 h’=87 Basses latitudes

NUIT β=0.8 h’=88 Hautes latitudes

))'(exp()( hzh oi

Propagation VLF/LF

Entrées du logiciel (suite) Champ magnétique : IGRF (coefficients actualisés tous les 5 ans) Type de sol : coefficients d’une cartographie sommaire, mondiale

Bruit atmosphérique : modèle UIT-R P322-3

(utilisé également en HF)

Type de sol Conductivitéσ (S /m)

Permittivité relative

MER 5 80

TERRE 2.10-3 15

GLACE 2.510-5 3

Propagation VLF/LF

Profils ionosphériques ‘standards’

Propagation VLF/LF

Champ électrique en fonction de la distance sur 3 fréquences, en été

JOUR NUIT

Propagation VLF/LF

Résultats émetteur Rosnay (15.1 KHz) – vols BANîmes-Landivisiau Nîmes-Les Acores

1986 – 09:00-11:00 (350 km ) 1986 – 11:30-19:00 (2500 km)

Propagation VLF/LF

Comparaison mesures de 1986/ simulation (0.3,72)

Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 28page 28page 28page 28page 28

Propagation VLF/LF

Emetteurs VLF/LF (2012)

Propagation VLF/LF

Mesures VLF (réf: http://sidstation.loudet.org/)

Propagation VLF/LF

Mesures LF (http://sidstation.loudet.org/)

Propagation VLF/LF

Emissions : 23.4KHz (Allemagne) et 45.9 KHz (Italie) Réception : Pyrénées (France), http://sidstation.loudet.org

jours de 2011 ( en x) / heures (en y)

SOMMAIRE

Propagation des ondes dans l’ionosphère

Propagation d’une onde électromagnétique équations de Maxwell (E,B,D,H, opérateurs mathématiques)

Résolution complexe … Relations constitutives du milieu (linéaire, stationnaire)

• Milieu anisotrope : Champ magnétique terrestre• Ions et électrons libres polarisation du milieu P

• permittivité diélectrique relative

• perméabilité magnétique relative • Attention : Ne pas confondre champ magnétique terrestre (noté B) et composante

magnétique de l’onde (H ou B)

DJHrot

Équation de propagation En régime permanent et à une fréquence /régime harmonique temporel fréquentiel

Solution : équation de propagation pour E et B avec

• Rappel : dans le vide

Onde harmonique progressive suivant l’axe 0z

• Pulsation • Vecteur d’onde (vecteur de propagation)• Vitesse de phase• Indice de réfraction

kztjeEE

12 coo

Oscillations de plasma

Electrons séparés d’un distance x par rapport aux ions dans une lame de plasma : condensateur plan

σ= densité de charges

Equation du mouvement d'un électron

Oscillations de relaxation Fréquence plasma2

– – – –– – – –– – –– – –

f eE+ + + ++ + + ++ + + ++ + + +

= -Nex

= Nexx

eeNeExmf

)3(9)( meNHzpf

Télécom Bretagne/Dépt . MOpage 36page 36page 36page 36

Equivalence densité électronique/fréquence plasma

Gyrofréquence Mouvement d’une particule chargée dans le champ géomagnétique Bo

(force de Lorentz = force centrifuge)

avec Gyrofréquence (électrons): fH(Mhz)≈2.8 Bo (G)

20 0H H H Hev B e r B m r

Rayon de Larmor

Gyrofréquence

Électrons 2 cm 1,2 MHz

Ions O+ 4 m 50 Hz

Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 38page 38page 38page 38

Equations de Maxwell :

Courant de déplacement :

Courant de conduction :

Effet de la réfraction• Indice de réfraction

Equation du mouvement d'un électron :

d cH J J

J j Et

c eJ N eve

x v j v Em

ev j E

J j Em

0 02 20

1 1 ped c

N eJ J j E j E

identification à un milieu diélectrique de permittivité :

Indice de réfraction :

Remarque 1 : n=n(f) : l'ionosphère est un milieu dispersif en fréquence

Remarque 2 : n < 1 [1- quantité] v [=c/n] > c

0 02 20

1 1 pec d

N eJ J j E j E j E

0 21 p

Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 40page 40

Influence de l'ionosphère sur la propagation

• Indice de groupe

Vitesse de groupe

Indice de groupe

indice de groupe = inverse de l’indice de réfraction

n c c n nc

1/ 22 21/ 2 22 2

1 2 1 1

Théorie complèteOn pose

θ angle entre k et Bo

Résultat: formule d’Appleton-Hartree

2 ondes caractéristiques (modes normaux)• Mode o « ordinaire » indépendant de Y η=0 n=no• Mode x « extraordinaire » fonction de Y η= -1 n=nx

• η= +1 (mode Z) IMPORTANT : 0 ≤ (no, nx)≤ 1

)1(4)1(2

LTT YXYYX

TLH YYY

Propagation longitudinale : YT=0

• Modes de propagation

- Polarisations circulaires dans le plan yOz

- Mode « ordinaire » (O)

- Mode « extraordinaire » (X)

- Circulations inverses de o et x

• Indices de réfraction :

0 // //B k Ox

0 1X On n

Altitude de réflexion

• Hypothèses :• Ionosphère uniforme (pas de gradients horizontaux)• Terre plate

• Propagation oblique A chaque altitude h :

- indice de réfraction : n(h)

- Angle d'incidence du rayon : (h)

Loi de Descartes :

A l'altitude de réflexion hr : d'où

0sin 1.sinn h h 0sinrn h 90rh

• Propagation verticale : 0 = 0°

- Réflexion du mode O (X=1)

- Réflexion du mode X (X=1±Y)

0O ron h N ro of h f

0X rxn h 2N rx x H xf h f f f

• Fréquences critiques

Soit la fréquence plasma à l'altitude hmax du

maximum d'ionisation de la couche.

- Réflexion du mode O à l'altitude hmax

à la fréquence critique fo :

- Réflexion du mode X à l'altitude hmax

à la fréquence critique fx :

• Pour f > fréquence critique, le rayon traverse l’ionosphère

2o x Hf f f

max maxN Nf f h

0 maxNf f

2Nmax x x Hf f f f

Propagation des ondes HF dans l’ionosphère

Sondeurs ionosphériques

Question : Pourquoi h’ et pas h ?

2 /xh c

2 /oh c

Amplitude

8.9 9.4

La Réunion : fH/2 = 0.5 MHz

h’ (km)

f (MHz)

1.67 2.37 4.89 5.59

Poitiers : fH/2 0.7 MHz

Loi de la sécante• Rayon oblique à la fréquence fobl

A l'altitude de réflexion hr , on a :

d'où :

• Soit un rayon vertical de fréquence fver, réfléchi à la même altitude hr .

A la réflexion :

Les fréquences des ondes réfléchies à une même altitude hr

sont liées par :

0( ) sinrn h 2

1 ( ) 1 sinNr

( ) 0rn h ver Nf f

0secobl verf f

fobl fver

(la sécante est l’inverse du cosinus)

Théorème de Breit et TuveHypothèses :• Ionosphère uniforme (pas de gradients horizontaux)• Terre plate

• B0 = 0

Le chemin de groupe oblique P’ est égal à la distance EH'R

Théorème de Martyn(Mêmes hypothèses que

pour Breit et Tuve)

Pour un rayon oblique et

un rayon vertical réfléchis

à la même altitude hr on a :

avec :

Les 2 rayons ont même point de réflexion virtuelle H'

02 secobl verP f h f

fobl fver

0secobl verf f

02 secobl verP f h f

Conversion d'ionogrammes verticaux obliques --- D augmente (pas de 500 km) --- D augmente

Terre plate : K = 1 Terre sphérique : 1 K 1,2

0 20 40 60 80 1000

Angle d'élévation (°)

1 10 100

f (MHz)

0.secobl verf f K '2h

Rayon de Pedersen

0 20 40 60 80 1000

f (MHz)

Rayon haut (Pedersen)Rayon bas

Rayon haut

Rayon bas

MUF (Maximum Usable Frequency)

Pour D fixé, il faut f MUF(D)

Pour f = MUF(D), les rayons haut et bas sont confondus

f (MHz)

0 20 40 60 80 1000

) Rayon haut

Rayon bas

MUF(D)

Pas de liaison pour

f > MUF

Zone de silence

Pour f fixé, il faut D Ds (skip distance) : zone de

silence. On a : f = MUF(Ds)

1 10 100

f (MHz)

D = Ds,…, 3500 km ——

Pas de liaison

pour D < Ds

MUF(Ds)

0 20 40 60 80 1000

D = Ds,…, 3500 km ——

Tracé de rayons : zone de silence & rayons traversants

Minimum : n = 0,6

n = 0,8n = 0,9

Zone de silence

fobl = 5 MHz

Ionogramme oblique

Comparaison ionogramme oblique/vertical

Sondage oblique St-Santin-Lannion

Conversion ionogramme Poitiers

D 600 km

MUF MUF

Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 59page 59page 59

SOMMAIRE

Bruit atmosphérique

Sources de bruit• Bruit interne chaine transmission (bruit blanc gaussien)• Bruit externe, origine atmosphérique (processus aléatoire, paramètres

statistiques)• Brouilleurs (locaux, orages, industriels)

Bruit atmosphérique prédominant f < 30 MHzBase de données• Mesures entre 1957 et 1966• Réseau variable de 16 stations maximum• 8 fréquences entre 13 KHz et 20 MHz• Antenne courte, b=200 Hz

Le réseau de mesures

Analyse de donnéesPuissance de bruit reçue :

PN(W)=fakTob= Ta/To

fa facteur de bruit équivalentk constante de Boltzman 1.3810-23 J/KT température, a=antenne, o=référence (288°K)b largeur de bande du récepteur et B(dB)=10log10(b)

PN(dBW)=Fa(dB)+B(dB)-204

4 saisons (hiver=12-01-02, printemps=…,été=…,automne=…)Heure locale : 6 blocs de 4 heures (00-04, 04-08, …, 20-24)Fréquence : valeurs de Fa

Modélisation CCIR (ITU)• Plusieurs versions : 1964 (322), 1983 (322-2), 1988 (322-3)• Fa horaire, journalier Fam médiane mensuelle• Du, Dl déciles• Ecart-type σ (variabilité) Modèle : coefficients numériques + code source (Fortran) permettant de

modéliser Fam à 1 MHz Rappel : antenne courte, le champ E rms

E(dB > 1μV/m)=Fam(dB)+20log10 f(MHz)+B (dB)-95.5

Exemple : Hiver, 02TL (00-04), Brest Lecture carte : Fam=70 (dB > kTob) à 1 MHzÀ 10 Mhz, Fam=35 dB et σ=4.2dB Du=5.2dB et σ=2.3dB Dl=4.2dB et σ=2.0dBBande de 6KHz, Fa=35+10log(6000)=72.8dbPN=Fam+B-204=72.8-204=-131.2dBW=-100.2 dBmE=35+20log(10)+10log(6000)-95.5=35+20+37.8-95.5=-2.7(dB > 1μV/m)

Hiver,00-04TL : Fam à 1 Mhz , modèle 322

Hiver,00-04TL : Fam à 1 Mhz , modèle 322-3

Hiver,00-04TL : Variation en fréquence - variabilité

Distribution de valeurs de Fa

BREST - f=5Mhz – hiver – 00-04 TL

Systèmes de communications HF

Avant:• Modulations analogiques (AM,FM)• Débits faibles (300 bits/s maximum)• 3 KHz de bande Maintenant et futur:• Modulations numériques (QAM,OFDM)• Débits : 2400 bit/s à 19200 bits/s et + ( 100 kb/s)• 12 kHz de bande• Liaisons ALE (Automatic Link Establishment)• Utilisation de la HF en NVIS (Near Vertical Incidence

Skywave) pour d< 500 km• Radiodiffusion numérique (DRM : Digital radio Mondial)

Systèmes de communications HF (militaire)

Exemple: Naval & Strategic Communications

About Us

RapidM specialises in the development of HF radio modems that comply with MIL-STD-188-110B and STANAG 4539, which are able to transfer data over significant distances (10 000 kilometres and more) without any fixed infrastructure, using radio waves reflected by the Earth’s ionosphere. The HF radio modems are capable of achieving data rates of up to 9600 bps over a standard 3 kHz (SSB) HF radio channel and 19200 bps over an ISB channel.

End users include military, government and commercial organisations requiring satellite independent world-wide communications such as users within NGOs, the mining and mineral exploration sector, geographical survey companies, the commercial fishing industry, civil and military defense organisations, emergency services, transportation companies, the tourist and recreation industry and remote communities.

RapidM is at the forefront of HF Radio Data Modem, ALE and HF e-mail technology. Our company provides real-world solutions for man-pack, naval and airborne HF radio products. Supported standards include STANAG 4539, FED-STD-1049, FED-STD-1045, STANAG 4538, STANAG 4285, MIL-STD-188-110B, MIL-STD-188-110A, STANAG 5066, MIL-STD-188-141B and MIL-STD-188-141A.

Systèmes de communications HF (civil)

SOMMAIRE

Logiciel de prévisions SATIS

Algorithme positionnement des paramètres externes (mois, année, heure, indice

solaire), détermination du profil vertical d’ionisation avec calcul des valeurs

médianes des paramètres caractéristiques, distribution statistique des valeurs journalières, géométrie des différents trajets de propagation possibles, choix de la MUF, gain des antennes E/R, calcul des différents affaiblissements possibles (spatial, absorption

ionosphérique par la couche D, absorption aurorale, pertes à la réflexion au sol),

calcul du bruit radioélectrique à la réception, choix de la LUF sur un critère d’affaiblissement maximal tolérable sur le

trajet ou d’un rapport S/B minimal à la réception, calcul de la fiabilité sur des fréquences particulières ou sur un plan de

fréquences.

Distribution de l’ionisation en fonction de l’altitude

Paramètres du profil : UIT-R P1239

Différents modes de propagation

Différents types de trajets analysés

Bibliographie

Davies K., Ionospheric radio, IEE electromagnetic waves series 31, Peter Peregrinus Ltd.,1990

SID monitoring station, http://sidstation.loudet.org/, consulté le 15/05/2013 UIT (Union Internationale des Communications):• P.368 Courbes de propagation de l'onde de sol entre 10 kHz et 30 MHz • P.371 Choix d'indices pour les prévisions ionosphériques à long terme • P.372 Bruit radioélectrique• P.373 Définition des fréquences maximales et minimales de transmission • P.684 Prévision du champ aux fréquences inférieures à 150 kHz environ• P.845 Mesure du champ des ondes décamétriques• P.846 Mesures de caractéristiques ionosphériques et de caractéristiques

associées • P.1239 Caractéristiques ionosphériques de référence de l'UIT-R• P.1240 Méthodes de prévision des MUF de référence et d'exploitation et du trajet

des rayons de l'UIT-R

PROPAGATION VLF/LF/HF Rolland FLEURY Télécom Bretagne 2014

Documents

Fleury mag70 09 2012

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