RI~SULTATS E X P ] ~ R I M E N T A U X

EN PROPAGATION T R O P O S P H ] ~ R I Q U E T R A N S H O R I Z O N

par Francois DU CASTEL

Ing6nieur des T616communications *

SOMMAIRE. - - L'auteur pr~sente quelques rdsultats d'dtudes expdrimentales el~ectudes par la France, sur la propagation troposphdrique transho,'izon, entre 1957 et 1960. La premidre partie dtudie et compare des rdsultats obtenus en di- verses rdgions climatiqttes, clans la garnme des 500 MHz, sur des distances de t50 d 400 kin. Ces rdgions sont situdes en Europe Occidentale, en Mdditerrange Occidentale, au Sahara, en A/rique Occidentale et en A/rique J~quatoriale. La deuxidme partie dtudie les caractdristiques des dicers processus de propagation d partir des rdsultats obtenus sur des liaisons expdrimentales en France. L'dtude porte sur les caractgristiques macroscopiques et microscopiques propres de la propagation et sur la comparaison des caractdristiques de la propagation et des caractgristiques de la troposphere. Elle permet la raise en gvidence de trois processus de propagation [ondamentaux. La troisidme partie rapporte les rdsultats obtenus dans une expdrience originale d'analyse [rdquentielle rapide des caractdristiques de

la propagation transhorizon.

PLAN. - - I. J~tude exp~r imenta le des ef]ets c l imat iques . - - II. ~tude expdr imenta le des carac t~r is - t iques des p roces sus d e p r o p a g a t i o n transhorizon. 1) Nature des ezpdriences ; 2) l~tude des lois propres des divers phdnom~nes ; 3) Etude des corrdlations des caractdristiques de propagation entre elles et avec les carac- tgristiques de la troposphire ; 4) Consdquences sar les caractdristiques des phdnom~nes de propagation.

I. ~ ~.TUDE EXP~.BIMENTALE DES EFFETS CLIMATIQUES.

Ent re 1957 et 1960, le Centre Nat ional d 'I~tudes des T616communications (*) a 6tudi~ une s6rie de liaisons t ranshor izon en Europe Oeeidentale et en Afrique. La loealisation g6ographique de ees liaisons est indiqu6e sur la figure Ia. On a distingu6 5 r6- glens g6ographiques, la r6gion I ou r6gion temp6r6e (liaison I = 220 km, 2 = 275 km, 3 = 515 km, 4 = 530 kin), la r6gion I I ou r6gion m6diterra- n6enne (liaison I = 225 kin, 2 = 380 km (**), la r6gion I I I ou r6gion sahar ienne (liaison I = 200 km, 2 = 200 km, 3 = 233 kln, 4 = 274 km, 5 = 2 8 5 km, 6 = 301 km, 7 = 302 k m ) , l a r6- glen IV ou r6gion tropicale mar i t ime (liaison I = 170 kin, 2 = 270 km, 3 --= 280 kin, 4 = 330 kin), la r6gion V ou r6gi on 6quatoriale (liaison 1 = 145 kin, 2 = 150km, 3 = 200 km, 4 = 2 5 0 k m , 5 = 300 km, 6 = 315 km). Toutes ces liaisons ont 6t6 6tudi6es darts la gamme des 500 MHz (entre 430 et 470 MHz). La dur6e d '6tude a vari6 entre I e t 3 mois pour la p lupar t des liaisons, ellc fut plus longue pour les liaisons en r6gions I e t II .

L 'affaibl issement moyen est d6fini par la valeur m6diane de l 'affaibl issement 6valu6e sur un quar t d 'heure. Les r6suhats bruts de l 'affaibl issement moyen d6pass6 pendant 99 % du t emps au cours du plus mauvais mois de mesure ont 6t6 report6s en fonet ion de la distance. La dispersion de ees valeurs est impor tan te . Les r6suhats ont 6t6 corri- g6s en fonetion de deux param~tres , le d6gagement des extr6mit6s et l ' influence saisonni6re.

La correction de d6gagement a consist6 ~ tenir

compte de l 'angle de site des horizons des extr6mit6s, et de l ' influence moyenne de la distance, pour d6fi-

FIG. I a . - Carte des liaisons 6tudiges en Europe Occi- dentale et en Afrique ct des r6gions g6ographiques con- sid6r6es.

nir une distance corrig6e. La correction saisonni~re a consist6 h tenir compte des r6sultats compar6s des p6riodes d'essais sur les diverses liaisons pour d6- finir une valeur d 'affaibl issement 99 % correspon- dan t au plus mauva i s reels.

Moyennant ces deux corrections, il a 6t6 possible

* Au C. N. E. T. D6partement IRANSMI$SION. (*) En collaboration avee la Compagnie Fran~aise THOMSON HOUSTON pour la r6gion III.

* * 1 ( ) L'aison 6tudi6e par l'International Telegraph and Telephone Co., ~ 300 MHz. [] En r~gle g6n6rale pour tout renvoi entre crochets au cours du texte d'un article, pri~re de sc reporter ~ la biblio-

graphic compl6tant Fartiele in fine.

- - 255 - -

3/22

de t racer les courbes de la fgure Ib donnant l'affai- blissement moyen en fonction de la distance (va- leur 99 % du plus mauvais tools), pour chacune

d8 200 A

210

220 ~ K

230 \ -

\ . \

2411 ". ~

150 200 ~00 i km

FIG. Ib. - - A f f a ib ] i ssemen t de p r o p a g a t i o n m o y e n en fonc- t ion de la d i s tance dans les diverses r6gions c l imat iques ;

ordonn6e : A. - - Affa ib l i ssement m o y e n (valeur m6- d iane sur un qua r t d 'heure ) h 500 MHz d6pass6 p e n d a n t 99 ~o du t e m p s au cours du plus mauva i s mois (en dB) ;

abscisse : d . - Dis tance pour un angle de site nul des hor izons des extr~mit6s (en kin).

F. DU CASTEL, P. MISME, A. SPIZZICHINO ET J. VOGE ANNALES DES TI~LI~COMMUNICATIONS

distance, d6finie par l 'exposant de la loi en distance caract6risant la variat ion de l 'affaiblissement 99 % au cours du plus mauvais mois entre 200 et 300 kin.

Les valeurs num6riques avanc6es dans le tableau ne doivent cependant ~tre consid6r6es que comme des ordres de grandeur, que des r6sultats en plus grand nombre doivent confirmer ou corriger.

I1 est int6ressant de comparer ces r6suhats avec les param~tres caract6ristiques de la t roposphere dans la r6gion consid6r6e. I1 apparal t que des don- n6es limit6es aux valeurs moyennes de l 'indice de r6fraction au sol, ou aux valeurs ramen6es au niveau de la mer, aussi bien que des donn6es limit6es aux valeurs moyennes du gradient de l 'indice de r6frac- t ion d6fini entre le sol et l ' ah i tude de ~l 000 m, sont insuffisantes h rendre compte de l 'ensemble des r6sultats exp6rimentaux. II est n6cessaire de faire intervenir , d 'une par t la s t ructure moyenne de l 'indice de r6fraction dans les basses couches de la troposphere, d 'aut re par t un param~tre ca- ract6ristique de la stabilit6 de la troposphgre. L '6tude complgte de la question n 'est pas ache- v6e (**).

T A B L E A U I

Inf luence c l imat ique . . . Dispers ion mensuel le . . . Effe t d iurne . . . . . . . . . . . Saison d6favorable . . . . Effet sa isonnier . . . . . . . . Inf luence de la d i s t ance

R~GION I (TEMPEREE)

0 6 6

h iver 15

- - 7

RI~GION II (MEDITER-

RANEENNE)

+ 6 6

20 hiver

20 - - 9

I~I~GION I I I (*)

- - 1 t~

J0 6t6

t 2 - - 9

1R~GION IV

+ 5 6

25 s6che

t5 - - 7

R~GION V IIEQUATOR IALE)

+ 7 d B 3 dB 8 dB

pluie 6 dB

- - 6

des r6gions d'essais. La faible dispersion des valeurs corrig6es permet d 'a t tacher une certaine valeur aux courbes, malgr6 le nombre limit6 de liaisons 6tudi6es et la p6riode d'essai r6duite. Cependant les courbes ont dfi ~tre limit6es entre 200 et 300 km environ.

Les principaux r6suhats d6coulant de ces essais sont t radui ts en valeurs num6riques dans le ta- bleau I. On a distingu6 : l'influence climatique, d6- finies par la valeur compar6e de l 'affaiblissement 99 % du plus mauvais mois, h 200 kin, dans la r6gion consid6r6e et en r6gion temp6r6e ; la dis- persion mensuelle des affaibllssements au cours du plus mauvais tools, d6finie par l '6cart type d 'une distribution logari thmique-normale, voisine de la distr ibution r6elle entre les valeurs m6diane et 99 % ; l'ef/et diurne, d6fini par l '6cart journalier moyen observ6 au cours du plus mauvais mois entre valeurs m6dianes horaires de l 'affaiblissement ; l'ef/et saisonnier, d6fini par la saison la plus d6fa- notable et par l '6cart entre les valeurs de l'affai- blissement 99 % au cours du plus mauvais mois et an cours du mois le meilleur ; l'influence de la

I I . ~ . T U D E E X P i ~ . I R I M E N T A L E

D E S C A R A C T I ~ . R B I S T I Q U E S

D E S P R O C E S S U S

D E P R O P A G A T I O N T R A N S H O R I Z O 1 N T .

1. Nature des exp&iences.

Un 6metteur situ6 dans la r6gion parisienne et t ravai l lant s imultan6ment h deux fr6quences, 450 et 850 MHz, 6tait re~u s imuhan6ment dans la r6gion de Tours, ~ 220 km, la r6gion de Poitiers, h 280 km, et la r6gion d'Arcachon, h 530 km. Ces liaisons exp6rimentales ont 6t6 6tudi6es par le C. N. E. T., en rue de met t re en 6vidence les caract6ristiques propres des divers processus de propagat ion trans- horizon.

Les param~tres caract6risant les liaisons, dont

(*) Au Sahara , les r6sul ta ts pr6sent6s ne conce rnen t que les saisons d ' a u t o m n e , h i r e r e t p r i n t emps . Le mois pris c o m m e r6f6rence pour le plus mauva i s mois est le mois d 'avr i l . I] est p robab le que les rdsul ta t s c o n c e r n a n t 1'6t6 sera ient plus d6favorables .

(**) Les pr incipales donn6es sur ce su je t son t indiqu6es dans Part icle de P. MISME publi6 dans ce m~me num6ro.

- - 256 - -

t. 15, n ~ 11-12,1960] CONTRIBUTIONS FRAN(~AISES A LA

on disposait, 6taient la distance, ]a fr6quenee, les earact6ristiques macroscopiques de la propagation (affaiblissements moyens, d6finis par la m6diane horaire et la distribution pour une p@iode donn6e), les caract6ristlques microscopiques (amplitude des fluctuations, vitesse de fluctuation ou nombre de travers6es par minute d 'un niveau donn6, coeffi- cient d'autocorr61ation et spectre des fluctuations), la s61eetivi% de la propagation (ph6nom~ne de diversit6 d'espace, largeur de bande transmissible). Les param~tres caract6risant la troposphere 6talent, d 'une part le gradient de l'indice de r6fraction, li6 aux ph6nom~nes de r6fraction (gradient moyen, (( gradient 6quivalent )) dans une tranche donn6e d'atmosph~re), d 'autre part la stabilit6 de l 'atmo- sphere, li6e aux ph6nom~nes de stratification (d6- finie par le travail n6cessaire pour d6placer un 616ment d'atmosph@e dans une tranche donn6e).

On a 6tudi6 les lois propres de chacun de ces pa- ram~tres et tent6 d'6tablir une corr61ation entre e u x .

2. l~tude des lois propres des divers phfinom6nes.

Les variations des earaet6ristiques de la propaga- t ion au cours du temps ne permettent pas, en r6gle g6n6rale, de mettre en 6vidence des lois propres aux divers param6tres. On est conduit ~ envisager des lois multiples, s tat ist iquement valables pendant certaines p6riodes seulement.

d_ s __ i A

1 10 50 90 99~0

FIG. l I a . - Dis l r ibu t ion des lois en distance et des lois en fr6quence ;

ordonn6e h gauche : lois en distance (par r a p p o r t l 'espaee libre) ;

ordonn6e h droite : lois en fr6quence (par r a p p o r t l 'espaee libre).

d

d-6

I1 en est ainsi de l 'influence de la fr6quence et de la distance. La figure I Ia donne la distribution des lois en fr6quence et des lois en distance, telles qu'elles r6sultent de la comparaison des affaiblisse- ments moyens (m6dians horaires) aux deux fr6- quences pour une m~me distance, on a deux distances pour une m6me fr6quence. Des r6sultats analogues sur les lois en fr6quence ont 6t6 pr6sent6s pour d'autres liaisons [], 2].

De m6me la s61ectivit6 de la propagation est variable d'une p6riode h une autre, aussi bien la

COMMISSION II DE L'U. R. S. I, 4/22

s61ectivit6 spatiale (distance de diversit6) que la s~lectivit6 fr6quentielle (bande transmissible). Il est h noter que, dans l '6tude de la distance de di- versit6, il est di~cile de s~parer s61ectivit6 spatiale et temporelle, et qu 'un 6vanouissement sur une antenne peut se retrouver l ' instant d'apr~s sur une autre antenne.

De m6me encore les caract6ristiques des fluc- tuations sont variables. La distribution des ampli- tudes peut avoir une dispersion inf6rieure h la loi de Rayleigh pendant un fort pourcentage du temps. La distribution du nombre de travers6es d 'un niveau donn6 peut avoir une importante dispersion, parfois voisine d 'un niveau h l 'autre, parfois diff6rente sui- r a n t qu'on consid~re un niveau 61ev6 ou un niveau faible.

3. l~tude des corr61ations des caract~ristiques de propagation entre elles et avec les caract6ris- tiques de la troposphbre.

L'6tude de la corr61ation entre deux caract6ris- tiques de la propagation ou entre une caract6ris- t ique de la propagation et une caract6ristique de la troposphere ne permet en g6n6ral, au mieux, que la mise en 6vidence des lois tendancielles. Parmi celles-ci, on ne peut retenir que celles correspondant h une corr61atlon sufllsamment nette.

a) Caractdristiques de propagation.

Une corr61ation apparalt entre les affaiblissements moyens et les lois en distance et surtout les lois en fr6quenee, les lois h exposant le plus 61ev6 corres- pondant aux affaiblisseinents moyens les plus faibles.

En ce qui concerne les fluctuations, la rapidit6 de fluctuation est plus grande pour un affaiblisse- ment moyen plus 61ev6, tout au moins au cours d 'un mois donn6 (fig. IIb). Cette rapidit6 est aussi li6e h la distance de diversit6 (fig. IIc), la distance 6tant plus faible pour les fluctuations plus rapides. La distribution des vitesses de fluctuation est encore fonction de la distance, les vitesses 6tant plus 61e- v6es pour les distances plus courtes. L'6tude des spectres de puissance des fluctuations fait apparaitre deux types assez nets, correspondant Fun aux fluctuations d 'ampli tude distribu6e suivant la lol de Rayleigh et de vitesse 61ev6e, l 'autre aux fluc- tuations d 'ampli tude moins dispers6e et de vitesse moindre.

On peut noter 6galement que les variations diurnes des affaiblissements moyens sont moindres h grande distance qu'h distance plus courte.

b) Caract~ristiques de propagation et caractdris- tiques de la troposphere.

Les variations des affaiblissements moyens, et de leur dispersion mensuelle, au cours de l 'ann6e ont 6t6 souvent signal6es. Elles semblent li6es h la fois au gradient d'indice moyen dans les basses couches et h la stabilit6 moyenne de l 'atmosph~re.

257

5/~ F. DU CASTEL, P. MISME, A. SPIZZICHINO ]ST 3. VOGE [ANNALES DES TI~LI~COMMUNICATIONS

80

dBm

90

100

110

d=220 k111

f'= 450 HHz

1 2 5 5 10 20 ~ ,5o lO0 ra in -1

FIG, I I b . - Rapidit6 de fluctuation en fonction de l 'affaiblissement ; ordonn6e : a niveau de r6ception (en dBm) ; abscisse : hombre de travers~es du niveau m6dian par minute.

Les zones hachur6es correspondent ~ la dispersion des valeurs exp6rimentales pour les mois indiqu~s en param6tre

9

1 l 9 ~ d= 220 km

2ore

o . , . . . . . . .

0,4 C ~ ~

0,2

FIG. I l e , - S61ectivit~ spatiale et rapidit6 de fluctuation ; ordonngc �9 coefficient de eorrglation entre les niveaux

re~us sur deux antennes espaeges de 20 m ; abseisse : n o m b r e de traversges du niveau mgdian par

minute, La zone haehur6e correspond ~ la dispersion des valeurs

exp6rimentales.

La variation diurne des affaiblissements moyens est aussi fonction du tools, et plus prononc6e en 6t6 qu'en hiver. I1 en est de meme de la rapidit6 de fluctuation.

Cette influence du mois peut se traduire en termes de gradient d'indice et de stabilit6. En effet les mois d'6t6 sont caract6ris6s par un gradient d'indice

plus 61ev6 et une stabilit6 plus faible que les mois d'hiver.

Ceci permet, sur la figure IIb, de lier l'affaiblisse- ment moyen au gradient d'indice et la vitesse de fluctuation ~ la stabilit6 de l'atmosph~re. La fi- gure IId confirme ce dernier point de rue, et fair en outre apparaltre une loi diff6rente de dispersion des vitesses de fluctuations, suivant que la stabilit6 de l'atmosph~re est 61ev6e ou faible.

On peut encore signaler, avec d'autres [3], que la loi en fr6quence d6pend aussi de la stabilit6 de l'atmosph~re, une atmosphere stable entralnant des lois h exposant plus 61ev6.

4. Consequences sur les caractfiristiques des phfi- nom6nes de propagation.

II r6sulte de ces donn6es exp6rimentales la possi- bilit6 de distinguer plusieurs ph6nom~nes de propa- gation ayant leurs caract6ristiques propres.

Un premier ph6nom~ne serait caract6ris6 par une certaine coh6rence. I1 d6croltrait rapidement avec la distance et la fr6quence, serait peu s61ectif et peu fluctuant. I1 apparaltrait en atmosphere tr~s stable.

Deux autres ph6nom~nes auraient un caract~re incoh6rent. Leur d6croissance serait voisine avec la distance, mais l'un d6croltrait plus ri te avec la fr6quence. Celui-ci aurait une s61ectivit6 spatiale et fr~quentielle moindre, des fluctuations moins rapides et moins dispers6es. II appara~trait en at-

258

t. 15, n ~ 11-12, 1960]

1nosph~re stable. L 'autre serait le plus s61ectif et aurait les fluctuations les plus rapides qui sui- vraient la loi de Rayleigh. I1 apparal t ra i t en at- 1nosph~re turbulente.

S soo.2oo! m r

C O N T R I B U T I O N S F R A N ~ A I S E S A LA COMMISSION I I D E L ' U . R. S. I , 6/22

Un ph6nom6ne de r6flexion partielle, en atmosphere stable, donc stratifi6e, ce ph6noln6ne pouvant 8tre eoh6rent (r6flexion sp6culaire) ou incoh6rent (r6- flexion diffuse) ; un ph6nom~ne de diffusion, en atmosphere instable, doric turbulente.

Le tableau II r6sume ces r6sultats.

d= 220 km

F= 45o MHz

fl

so rain - I O 10 20 ~O 40

5. Confirmation exp6rimentale de la nature du ph~nom~ne de r~!flexion.

La r6alisation d 'un goniom~tre, dans la gamlne des 10 000 MHz, a permis l '6tude de la r6flexion sur une surface irr6guli~re. Une liaison exp6rimentale perlnettait d'61ilniner le rayonnelnent direct et de ne recevoir que le rayonnement r6fl6chi sur la sur- face de lamer . Le goniom~tre donnait la possibilit6 de d6terlniner h chaque instant la direction d'ar- riv6e de ce rayonnelnent.

L'6tude a perlnis de distinguer et de pr6ciser certaines caract6ristiques de la r6flexion sp6cu- laire et de la r6flexion diffuse (amplitude relative des colnposantes, surface de r6flexion int6ress6e.)

M a n u s c r i t re~u le 8 novembre t960

BIBLIOGRAPHIE

Fro. l i d . - Rapidit6 de fluctuation et stabilit6 de l 'at- mosphgre ;

ordonn6e : stabilit6 de l 'atmosphgre d6finie par le tra- vail n6cessaire pour 61ever un 616ment du niveau 500 na au niveau 2 000 m ;

abscisse : hombre de travers6es du niveau in6dialt par minute.

[11 BOLGIANO (N., Jr). Wavelength dependence in transhorizon propagation. (L'influence de la lon- gueur d'onde sur la propagation au-delh de l'hori- zon.) Proc. I. R. E., U. S. A. (f6v. 1959), 47, n ~ 2, pp. 331-332, I fig., bibl. (7 r6f.).

[2] CEAwroan (A. B.), HOGG (D. C.), KUNNER (W. H.). Studies intropospheric propagation beyond the horizon. (Etudes relatives h la propagation tro- posph6rique au-delh de l'horizon.) Bell Syst. tech. J., U. S. A. (sept. 1959), 38, n ~ 5, pp. 1067-1178, 79 fig., 7 tabl., bibl. (28 rdf).

[3] BOLGIANO ( R . ) . A theory of wavelength dependence in ultrahigh frequency transhorizon propagation based on meteorological considerations. (Une

TABLEAU Ii

PARAMI~TRES DES LIAISONS CARACTI~2RISTIQUES DES PHI~NOMI~NES DE PROPAGATION

Param6tre g6ographique (Loi en d--m) Param~tre radio61ectrique (Loi en ),--n) Caract. macroscopique (affaibl t moyen A) Caract. microscopique (ampli. des fluct, a)

(nbre de travers6es n) S61ectivit6 spatiale (dist. de diversit6 8)

(bande transmissible) R6fraction troposph6rique (gradient moyen G) Stratification troposph6rique (stabilit6 S)

Nature du ph~nombne de propagation

TYPE 0 TYPE I TYPE 2

It/. 0 > Ht 1 tit 2 ,I. 0 > n I 5 12 2 A o < A 1 A,,. ~o < ~1 < a~ n o < TI 1 < n 2

8 0 >> 81 > 8 2 Bo >> B1 > B 2 Go , G1 G2 S O , S 1 > S~

coh6rent incoh6rent r6flexIon diffusion

sp6culaire diffuse

( R a y l e i g h )

Ces r6sultats correspondent assez bien h la dis- t inction entre deux ph6noln~nes de propagation (*).

(*) Les principaux 616ments sur ces prob|6mes sont in- diqu6s dins l'article de J. VOGE publi6 dans ce m~me num6ro.

259

th~orie bas6e sur des consid6rations m6tdorolo- giques de l'influence de la longueur d'onde dans la propagation au-delh de l'horizon des ondes d6cim6triques.) J. Bes. nation. Bur. Stand, Part D, U. S. A. (mai-juin 1960), 64, n o 3, pp. 231-237, 6 fig., t tabl., bibl. (24 r6f.).