Capitolo 2
Il sondaggio ionosferico
Il sondaggio ionosferico si effettua utilizzando un sistema radar in banda HF, meglio conosciuto come ionosonda. Il trasmettitore (TX) emette brevi impulsi di energia a radiofrequenza verso la ionosfera che li riflette; il ricevitore (RX) registra il ritardo temporale tra la trasmissione e la ricezione degli impulsi.
Variando la frequenza della portante degli impulsi viene registrato il tempo di ritardo a diverse frequenze. Tale registrazione, di solito presentata sotto forma di grafico, costituisce lo ionogramma. Dall’analisi di uno ionogramma è possibile ricavare informazioni su numerosi parametri ionosferici che rivestono un ruolo importante sia per studi di fisica ionosferica, sia per scopi di radio comunicazione.
2.1 Ionosonda a compressione d’impulso
Il principio su cui si basa una ionosonda è il seguente: onde radio di frequenza crescente da 1MHz a 20MHz e di adeguata potenza sono trasmesse verso l'alto e si
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propagano fino a quando avviene la riflessione sugli strati ionosferici. Tale riflessione avviene quando la frequenza dell'onda 𝑓0 è uguale alla frequenza di plasma 𝑓𝑃 il cui valore
è dato dall’equazione (1.3).
Al variare della frequenza di sondaggio, quindi, si varia l'altezza dello strato su cui avviene la riflessione. L'intervallo di tempo che intercorre tra l'istante in cui l'impulso radio lascia l'antenna trasmittente e quello in cui è ricevuto l'impulso riflesso costituisce una misura del cammino percorso e determina l'altezza virtuale dello strato. Si può quindi ricavare la distribuzione della densità di elettroni in funzione della quota.
Fig. 2.1 Variando la frequenza varia l'altezza di riflessione
Le ionosonde tradizionali si basano sostanzialmente sul principio del radar ad impulsi con ricevitore ad inviluppo. In pratica un impulso a RF con frequenza variabile della durata di circa 150 ms viene emesso nella ionosfera da una antenna di dimensioni deca-metriche. L'energia riflessa dagli strati ionosferici viene captata da un'antenna ricevente; l'altezza dello strato viene misurata dal ritardo con cui viene ricevuto l'impulso mentre si effettua una scansione in frequenza con il ricevitore che si sintonizza continuamente con la frequenza trasmessa.
37 Fig. 2.2 Schema base di una ionosonda
Il sintetizzatore di frequenza genera la frequenza da inviare in quell’istante e mette il ricevitore in condizioni di sintonizzarsi su tale frequenza.
Il trasmettitore fornisce l’energia giusta al segnale trasmesso.
Il sistema di controllo abilita il trasmettitore alla trasmissione ed appena inviato l’impulso mette il ricevitore in ascolto per ricevere l’eco.
Il ricevitore opera una conversione in frequenza verso una frequenza
intermedia.
Il blocco di elaborazione individua i tempi di ritardo dei segnali ricevuti.
La lunghezza dell'impulso a RF è strettamente legato alla risoluzione ottenibile in altezza; in particolare una grande risoluzione è ottenibile con impulsi brevi a scapito della energia inviata in ionosfera. Si capisce allora che per avere la giusta risoluzione ed un 'eco visibile, tenendo conto della grossa attenuazione ionosferica, occorrono potenze di picco dell'ordine del kW, concentrate nel breve tempo dell'impulso stesso.
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In tempi più recenti la ionosfera sta acquistando maggiore importanza come mezzo interposto tra la superficie terrestre ed i satelliti poiché la densità elettronica di tale mezzo influenza le trasmissioni satellitari.
In particolare i disturbi ionosferici anche molto rapidi e localizzati possono modificare il contenuto elettronico ionosferico influenzando la precisione e l'affidabilità di informazioni quali, ad esempio, la posizione nel sistema satellitare GPS. In questo caso sarebbe importante disporre di una ionosonda che, quasi in tempo reale, potesse individuare una situazione di disturbo ionosferico o comunque di contenuto elettronico tale da rendere non del tutto affidabile una misura GPS. In questo senso un sistema in grado di interpretare lo ionogramma automaticamente e di segnalare variazioni anomale delle densità elettroniche potrebbe essere costituto da una rete di ionosonde collegate tra di loro.
Con gli anni le ionosonde hanno subito delle evoluzioni grazie alla tecnologia, che progredendo ha messo a disposizione dei progettisti degli strumenti in passato non utilizzabili. Così dopo le ionosonde di vecchio stampo si stanno ormai diffondendo sistemi basati sulle più moderne tecniche radar che ottengono delle ottime prestazioni con potenze molto più basse e con la possibilità di essere gestite da mezzi di calcolo estremamente flessibili.
La tecnica del radar a compressione di impulsi si basa sul principio secondo cui modificando opportunamente alcune caratteristiche dell'impulso di radiofrequenza trasmesso si possono impiegare impulsi più lunghi di un radar tradizionale che una volta ricevuti consentano una risoluzione tipica di un impulso più stretto; da qui il termine 'compressione di impulsi. Il vantaggio di poter disporre di un impulso di maggior lunghezza risiede nella capacità di emettere la stessa energia impiegando però minor potenza. Lo svantaggio è quello di avere un sistema di sintesi e soprattutto un sistema di ricezione e di analisi dell'eco più complesso, per supplire ad un rapporto segnale rumore più basso.
39 Dato un amplificatore di potenza P, l'energia emessa in ionosfera tramite un impulso a radiofrequenza di durata t è data da Et=P*t. Maggiore è t maggiore è l'energia emessa e quindi anche l'energia retro-diffusa dal bersaglio, a scapito della risoluzione del radar stesso.
La compressione di impulsi è una tecnica che consente di ottenere la risoluzione di un breve impulso t pur utilizzando un lungo impulso 𝑇 con 𝑇»𝑡. Ciò si ottiene applicando una modulazione di fase all'interno del pacchetto di energia emesso. In particolare il segnale a radiofrequenza trasmesso subisce dei salti di fase di 180° secondo una sequenza ben precisa che rappresenta il codice digitale sovrapposto al segnale analogico.
Si dimostra che la risoluzione di un impulso così codificato è quella corrispondente alla lunghezza temporale di un bit del codice.
Utilizzando per esempio un codice a 16 bit, un impulso di 480 ms avrà una risoluzione equivalente ad un impulso di 30 ms,corrispondente a 4.5 km.
La demodulazione consiste nel ricercare il codice trasmesso all'interno dell'eco ricevuto dalla ionosfera. Per fare ciò si campiona opportunamente il segnale proveniente dal ricevitore per ricostruire il codice.
Per misurare la posizione temporale che il codice occupa nell'eco riflesso dalla ionosfera, si adopera la tecnica della correlazione; si tratta in sostanza di analizzare la serie temporale ricevuta e digitalizzata alla ricerca del codice stesso.
Possiamo vedere questa tecnica alla stregua di un filtro in grado di evidenziare la presenza del codice nel segnale ricevuto generando un segnale di uscita con un massimo nel momento in cui il codice è presente al suo ingresso. La posizione del massimo corrisponde all'altezza della riflessione stessa.
Per aumentare ulteriormente il rapporto segnale rumore, per ogni frequenza si possono utilizzare due codici opportuni, in successione in modo da diminuire le bande laterali.
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2.2 Sondaggio verticale
Per realizzare un sondaggio verticale TX e RX sono posti nello stesso luogo (Fig. 2.3).
Fig. 2.3 Sondaggio ionosferico verticale
Variando la frequenza della portante degli impulsi trasmessi da 1 a 20 MHz viene registrato il tempo di ritardo alle differenti frequenze. Tale registrazione, indicata con il nome di ionogramma (Fig. 2.4), si presenta di solito nella forma di un grafico in cui, al posto dei tempi di ritardo, vengono rappresentate le altezze virtuali di riflessione in funzione della frequenza.
La relazione tra altezza virtuale e tempo di ritardo è espressa dalla seguente equazione:
ℎ′ = 𝑐𝛥𝑡
2 (2.1)
dove 𝛥𝑡 è il tempo di ritardo, ℎ′ è l’altezza virtuale di riflessione e c è la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto.
41 Fig. 2.4 Ionogramma verticale
Dall’analisi di uno ionogramma verticale un operatore può ricavare informazioni su numerosi parametri ionosferici. La Fig. 2.5 mostra, per uno ionogramma diurno, le altezze virtuali e le frequenze critiche dei principali strati ionosferici.
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La ionosfera è caratterizzata da un profilo di densità elettronica, cioè da una distribuzione di N con la quota. Dall’equazione della frequenza di plasma si ricava un indice di rifrazione :
𝑛 = 1 −𝑓𝑃2
𝑓2 (2.2)
Per ogni frequenza utilizzata la riflessione avverrà alla quota a cui corrisponde una densità elettronica tale da annullare l’indice di rifrazione; in particolare la riflessione avviene solo se 𝑓 = 𝑓𝑃. Dal momento che la frequenza di plasma varia con N e di
conseguenza con la quota, variando la frequenza si ottengono riflessioni da quote diverse.
2.3 Sondaggio obliquo
La tecnica per effettuare un sondaggio obliquo è simile a quella che si usa per effettuare un sondaggio verticale, tranne per il fatto che trasmettitore (TX) e ricevitore (RX) si trovano in posti differenti (Fig. 2.6).
43 Variando la frequenza della portante degli impulsi tra 2 e 30 MHz si registra, al variare della frequenza, il tempo di ritardo tra l’impulso trasmesso e quello ricevuto in seguito alla riflessione ionosferica. Tale registrazione, detta ionogramma obliquo, è presentata sotto forma di grafico in cui il tempo di ritardo è funzione della frequenza (Fig. 2.7).
Fig. 2.7 Ionogramma obliquo
Da uno ionogramma obliquo si possono derivare informazioni su numerose caratteristiche ionosferiche. Tra queste la più importante è senza dubbio la MUF (dall’inglese Maximum Usable Frequency), che rappresenta la massima frequenza utilizzabile per effettuare un radio collegamento su una certa distanza d tra TX e RX, per riflessione ionosferica, con una sola riflessione sullo strato F.
In una situazione ideale sullo ionogramma ogni strato ionosferico è generalmente rappresentato da una traccia che termina con un asintoto verticale in corrispondenza della frequenza critica relativa a tale strato. La traccia in genere piega verso l'alto all'inizio di ogni strato fino al raggiungimento della frequenza critica in quanto l'onda trasmessa, prima di raggiungere la zona relativa al massimo di densità elettronica dello strato, e' rallentata, ma non riflessa, dagli strati sottostanti a quello di riflessione che hanno una
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frequenza di plasma simile, ma non uguale, a quella della frequenza trasmessa. Nel momento in cui la frequenza trasmessa si avvicina alla massima frequenza di plasma dello strato l'altezza virtuale tende ad infinito, e questo perché l'impulso trasmesso si trova in una situazione in cui deve fare un percorso finito con una velocità di gruppo praticamente uguale a zero. Le frequenze in corrispondenza delle quali accade questo vengono denominate frequenze critiche dello strato e si determinano rilevando il valore di frequenza in corrispondenza dell'asintoto verticale relativo alla cuspide di ogni strato ionosferico. L'altezza virtuale viene letta invece in corrispondenza del punto più basso della traccia di ogni strato ionosferico (Fig. 2.8).
Un altro importante parametro che si può ricavare dall'interpretazione di uno ionogramma è la massima frequenza utilizzabile, o MUF, che in un radiocollegamento descrive la frequenza limite oltre la quale non è più possibile il collegamento radio per una certa distanza alle condizioni ionosferiche considerate.
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2.4 Introduzione alla tecnica di ray tracing
La tecnica di ray tracing permette di calcolare il percorso fatto dal raggio elettromagnetico associato ad una determinata combinazione di angolo di alzo, angolo di puntamento in azimut e frequenza di trasmissione.
In particolare si riesce a simulare il percorso fatto dal raggio elettromagnetico partendo dal trasmettitore fino ad un punto sulla superficie terrestre,dopo la riflessione in ionosfera.
La figura seguente schematizza il diagramma a blocchi del programma di ray tracing :
Fig. 2.9 Schema a blocchi del programma di ray tracing
In input si passano i seguenti dati:
(Lat, Lon) rappresentano rispettivamente latitudine e longitudine del sito nel quale si trova il trasmettitore;
(azimut) è l’angolo di puntamento in azimut misurato a partire da nord in senso orario;
(SSN,mese,ora) rappresentano il Sun Spot Number che definisce l’attività solare, il mese e l’ora nei quali si vogliono simulare le condizioni ionosferiche;
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(freq) è la frequenza usata in trasmissione;
(alzo) è l’angolo di elevazione usato in trasmissione.
In output si ottengono:
(ground range) è il vettore dei punti a terra raggiunti dai diversi percorsi ionosferici, data un’opportuna combinazione di frequenza e alzo, fissate particolari condizioni ionosferiche;
(𝐿𝑃, 𝐿𝑖) sono rispettivamente le perdite per propagazione e per assorbimento
ionosferico;
(ritardo di gruppo) è il vettore dei ritardi con cui arrivano i diversi percorsi ionosferici;
(ℎ𝑒𝑞) è l’altezza dello strato ionosferico alla quale avviene la riflessione;
(N) è la densità elettronica.
Il programma tiene conto delle seguenti ipotesi:
si considerano trascurabili gli effetti del campo magnetico terrestre;
si considerano trascurabili le collisioni elettroniche;
si assume un valore medio di riferimento per l’altezza equivalente di riflessione dell’onda elettromagnetica.
Nella figura seguente è riportata la geometria del sistema, dove 𝜗0 è l’angolo con cui
l’onda elettromagnetica entra nella ionosfera, 𝛽 è l’angolo di alzo, ovvero l’angolo che l’antenna forma con la tangente alla superficie terrestre.
47 Fig. 2.10 Geometria del sistema radar Over The Horizon
2.5 Sommario del capitolo
In questo capitolo è stata descritta la metodologia di sondaggio della ionosfera. E’ stato descritto il radar utilizzato per il sondaggio ionosferico, ovvero la ionosonda ed in particolare quella a compressione d’impulso, sono state descritte le tecniche di sondaggio verticale , obliquo ed è stato inoltre descritto lo ionogramma, la cui interpretazione consente di ricavare i principali parametri che caratterizzano la ionosfera.
Infine è stata introdotta la tecnica di ray tracing che permette di ricavare il percorso fatto dal raggio elettromagnetico in ionosfera.
