La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

PROPAGATION VLF/LF/HF Rolland FLEURY Télécom Bretagne 2014.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "PROPAGATION VLF/LF/HF Rolland FLEURY Télécom Bretagne 2014."— Transcription de la présentation:

1 PROPAGATION VLF/LF/HF Rolland FLEURY Télécom Bretagne 2014

2 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 1 Spectre radioélectrique Bandes VLF-LF-MF-HF

3 Règlement des radiocommunications - normalisation Union Internationale des Télécommunications (UIT/ITU), site

4 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 3 SOMMAIRE Météorologie de lespace (Space Weather) Propagation VLF/LF Propagation HF Bruit atmosphérique Logiciel de prévisions Bibliographie

5 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 4 Météorologie de lespace Latmosphère terrestre > 600 kmEXOSPHERE Collisions peu fréquentes Particules en orbites balistiques kmTHERMOSPHERE Ionisation par le rayonnement solaire X-EUV IONOSPHERE kmMESOSPHERE Absorption des rayons solaires UV par lozone kmSTRATOSPHERE Turbulence 0-11 kmTROPOSPHERE Phénomènes météorologiques

6 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 5 Météorologie de lespace Propagation VLF/HF : milieux concernés : ionosphère + surface du sol Ionosphère = plasma électriquement neutre particules neutres (n 2,o 2,o) particules chargées (ions +, électrons) Densité électronique N e : nb délectrons par unité de volume Équation de continuité N e : traduit léquilibre entre la production, la recombinaison, les mouvements Production par le rayonnement UV et RX émis par le Soleil (ex O 2 ) Profil de densité électronique sous forme de régions stratifiées verticalement (couches ionosphériques) : D, E, F entre 80 et 800 km)

7 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 6 Météorologie de lespace Distribution de lionisation en fonction de laltitude

8 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 7 Météorologie de lespace Lactivité solaire Tâches solaires Indice et cycles solaire

9 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 8 Météorologie de lespace Chaine du processus

10 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 9 Météorologie de lespace Activité solaire : protubérances et éruptions

11 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 10 Météorologie de lespace Relations Soleil-Terre

12 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 11 Météorologie de lespace Perturbation du champ magnétique et zones en latitude magnétique

13 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 12 Météorologie de lespace Aurores boréales

14 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 13 Météorologie de lespace Perturbation de lionosphère : Evolution horaire de la foF2

15 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 14 SOMMAIRE Météorologie de lespace Propagation VLF/LF Propagation HF Bruit atmosphérique Logiciel de prévisions Bibliographie

16 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 15 Propagation VLF/LF Fréquences basses : 3-70 KHz Grandes longueurs donde (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 ( km) Pénétration dans leau de mer (atténuation : qq dB/m) Antennes de grande dimension Emetteurs puissants (~100 kW) Application : liaisons marines et sous-marins

17 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 16 Propagation VLF/LF Méthode des bonds P t puissance rayonnée (kW) L longueur du trajet dans lionosphère (km) II R II coefficient de réflexion ionosphérique D facteur de focalisation ionosphérique F t facteur dantenne démission Ψ angle au sol entre la direction de londe et lhorizontale 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)

18 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 17 Propagation VLF/LF Méthode des bonds (UIT-R P684)

19 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 18 Propagation VLF/LF Méthode des bonds : 60 KHz JOUR NUIT

20 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 19 Propagation VLF/LF Méthode des modes 1 mode = 1 état résonant du guide =1 valeur discrète dangle dincidence sur lionosphère Objectif : trouver les angles complexes solution de léquation modale d= altitude initiale De d vers lionosphère De d vers le sol // plan parallèle au plan dincidence plan perpendiculaire au plan dincidence R d traduit un coefficient de réflexion : R d =champ réfléchi / champ incident i R r avec i=onde incidente, r=onde réfléchie Méthodes numériques très complexes

21 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 20 Propagation VLF/LF Méthode des modes : Paramètres de la solution angle θ, type de mode, taux daffaiblissement (dB/km), vitesse de phase, amplitude et phase du facteur dexcitation 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

22 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 21 Propagation VLF/LF Entrées du logiciel Émetteur : position, puissance, hauteur antenne Récepteur : position, altitude antenne Ionosphère : conductivité f p fréquence plasma ν fréquence de collisions électrons-particules neutres Forme exponentielle β gradient électronique (km -1 ) h altitude de référence Modèle standard ou profils discrets JOURβ=0.3 h =74 zones dapplication NUITβ=0.5 h =87 Basses latitudes NUITβ=0.8 h =88 Hautes latitudes

23 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 22 Propagation VLF/LF Entrées du logiciel (suite) Champ magnétique : IGRF (coefficients actualisés tous les 5 ans) Type de sol : coefficients dune cartographie sommaire, mondiale Bruit atmosphérique : modèle UIT-R P322-3 (utilisé également en HF) Type de solConductivité σ (S /m) Permittivité relative MER580 TERRE GLACE

24 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 23 Propagation VLF/LF Profils ionosphériques standards

25 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 24 Propagation VLF/LF Champ électrique en fonction de la distance sur 3 fréquences, en été JOUR NUIT

26 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 25 Propagation VLF/LF Résultats émetteur Rosnay (15.1 KHz) – vols BA Nîmes-Landivisiau Nîmes-Les Acores 1986 – 09:00-11:00 (350 km ) 1986 – 11:30-19:00 (2500 km)

27 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 26 Propagation VLF/LF Comparaison mesures de 1986/ simulation (0.3,72)

28 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 27 Propagation VLF/LF Emetteurs VLF/LF (2012)

29 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 28 Propagation VLF/LF Mesures VLF (réf:

30 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 29 Propagation VLF/LF Mesures LF (http://sidstation.loudet.org/)

31 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 30 Propagation VLF/LF Emissions : 23.4KHz (Allemagne) et 45.9 KHz (Italie) Réception : Pyrénées (France), jours de 2011 ( en x) / heures (en y)

32 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 31 SOMMAIRE Météorologie de lespace Propagation VLF/LF Propagation HF Bruit atmosphérique Logiciel de prévisions Bibliographie

33 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 32 Propagation des ondes dans lionosphère Propagation dune 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 londe (H ou B)

34 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 33 Propagation des ondes dans lionosphère 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 laxe 0z Pulsation Vecteur donde (vecteur de propagation) Vitesse de phase Indice de réfraction

35 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 34 Propagation des ondes dans lionosphère Oscillations de plasma Electrons séparés dun 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 relaxationFréquence plasma –– – – – – – – – – – O = -Nex = Nex x

36 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 35 Propagation des ondes dans lionosphère Equivalence densité électronique/fréquence plasma

37 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 36 Propagation des ondes dans lionosphère Gyrofréquence Mouvement dune particule chargée dans le champ géomagnétique B o (force de Lorentz = force centrifuge ) avec Gyrofréquence (électrons): f H (Mhz)2.8 B o (G) Rayon de Larmor r H Gyrofréquence f H Électrons2 cm1,2 MHz Ions O+4 m50 Hz

38 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 37 Equations de Maxwell : Courant de déplacement : Courant de conduction : Propagation des ondes dans lionosphère Effet de la réfraction Indice de réfraction Equation du mouvement d'un électron :

39 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 38 Propagation des ondes dans lionosphère identification à un milieu diélectrique de permittivité : I ndice de réfraction : Remarque 1 : n=n(f) : l'ionosphère est un milieu dispersif en fréquence Remarque 2 :n c

40 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 39 Influence de l'ionosphère sur la propagation Indice de groupe Vitesse de groupe Indice de groupe indice de groupe = inverse de lindice de réfraction

41 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 40 Propagation des ondes dans lionosphère Théorie complète On pose θ angle entre k et B o Résultat: formule dAppleton-Hartree 2 ondes caractéristiques (modes normaux) Mode o « ordinaire » indépendant de Y η=0 n=n o Mode x « extraordinaire » fonction de Y η= -1 n=n x η= +1 (mode Z) IMPORTANT : 0 (n o, n x ) 1

42 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 41 Propagation des ondes dans lionosphère Propagation longitudinale : Y T =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 : y z x X O x y z X O x z y

43 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 42 Propagation des ondes dans lionosphère 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 h r : d'où 0 hrhr

44 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 43 Propagation des ondes dans lionosphère Propagation verticale : 0 = 0° -Réflexion du mode O (X=1) -Réflexion du mode X (X=1±Y) h ro h rx

45 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 44 Propagation des ondes dans lionosphère Fréquences critiques Soit la fréquence plasma à l'altitude h max du maximum d'ionisation de la couche. -Réflexion du mode O à l'altitude h max à la fréquence critique f o : -Réflexion du mode X à l'altitude h max à la fréquence critique f x : Pour f > fréquence critique, le rayon traverse lionosphère

46 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 45 Propagation des ondes HF dans lionosphère Sondeurs ionosphériques Question : Pourquoi h et pas h ? X O f t f 0 Amplitude XO E

47 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 46 Propagation des ondes HF dans lionosphère La Réunion : f H /2 = 0.5 MHz XO h (km) f (MHz)

48 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 47 Propagation des ondes HF dans lionosphère Poitiers : f H /2 0.7 MHz

49 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 48 Propagation des ondes HF dans lionosphère Loi de la sécante Rayon oblique à la fréquence f obl A l'altitude de réflexion h r, on a : d'où : Soit un rayon vertical de fréquence f ver, réfléchi à la même altitude h r. A la réflexion : Les fréquences des ondes réfléchies à une même altitude h r sont liées par : 0 ER hrhr f obl f ver E/R (la sécante est linverse du cosinus)

50 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 49 Propagation des ondes HF dans lionosphère Théorème de Breit et Tuve Hypothèses : Ionosphère uniforme (pas de gradients horizontaux) Terre plate B 0 = 0 Le chemin de groupe oblique P est égal à la distance EH'R 0 E H' R D x

51 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 50 Propagation des ondes HF dans lionosphère Théorème de Martyn (Mêmes hypothèses que pour Breit et Tuve) Pour un rayon oblique et un rayon vertical réfléchis à la même altitude h r on a : avec : Les 2 rayons ont même point de réflexion virtuelle H' 0 h' E H' R D f obl f ver

52 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 51 Propagation des ondes HF dans lionosphère Conversion d'ionogrammes verticaux obliques --- D augmente (pas de 500 km) --- D augmente Terre plate : K = 1 Terre sphérique : 1 K 1,2

53 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 52 Propagation des ondes HF dans lionosphère Rayon de Pedersen Rayon haut (Pedersen) Rayon bas 0 MUF 0 Rayon haut Rayon bas

54 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 53 Propagation des ondes HF dans lionosphère MUF (Maximum Usable Frequency) Pour D fixé, il faut f MUF(D) Pour f = MUF(D), les rayons haut et bas sont confondus Rayon haut Rayon bas 0 MUF(D) Pas de liaison pour f > MUF D

55 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 54 Propagation des ondes HF dans lionosphère Zone de silence Pour f fixé, il faut D D s (skip distance) : zone de silence. On a : f = MUF(D s ) D = D s,…, 3500 km Pas de liaison pour D < D s MUF(D s ) D = D s,…, 3500 km

56 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 55 Propagation des ondes HF dans lionosphère Tracé de rayons : zone de silence & rayons traversants Minimum : n = 0,6 n = 0,8 n = 0,9 Zone de silence f obl = 5 MHz

57 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 56 Propagation des ondes HF dans lionosphère Ionogramme oblique

58 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 57 Propagation des ondes HF dans lionosphère Comparaison ionogramme oblique/vertical Sondage oblique St-Santin- Lannion Conversion ionogramme Poitiers D 600 km MUF

59 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 58 SOMMAIRE Météorologie de lespace Propagation VLF/LF Propagation HF Bruit atmosphérique Logiciel de prévisions Bibliographie

60 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 59 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 MHz Base 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

61 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 60 Bruit atmosphérique Le réseau de mesures

62 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 61 Bruit atmosphérique Analyse de données Puissance de bruit reçue : P N (W)=f a kT o b= T a /T o f a facteur de bruit équivalent k constante de Boltzman J/K T température, a=antenne, o=référence (288°K) b largeur de bande du récepteur et B(dB)=10log 10 (b) P N (dBW)=F a (dB)+B(dB) saisons (hiver= , printemps=…,été=…,automne=…) Heure locale : 6 blocs de 4 heures (00-04, 04-08, …, 20-24) Fréquence : valeurs de F a

63 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 62 Bruit atmosphérique Modélisation CCIR (ITU) Plusieurs versions : 1964 (322), 1983 (322-2), 1988 (322-3) F a horaire, journalier F am médiane mensuelle D u, D l déciles Ecart-type σ (variabilité) Modèle : coefficients numériques + code source (Fortran) permettant de modéliser F am à 1 MHz Rappel : antenne courte, le champ E rms E(dB > 1μV/m)=F am (dB)+20log 10 f(MHz)+B (dB)-95.5 Exemple : Hiver, 02TL (00-04), Brest Lecture carte : F am =70 (dB > kT o b) à 1 MHz À 10 Mhz, F am =35 dB et σ=4.2dB D u =5.2dB et σ=2.3dB D l =4.2dB et σ=2.0dB Bande de 6KHz, F a =35+10log(6000)=72.8db P N =F am +B-204= =-131.2dBW= dBm E=35+20log(10)+10log(6000)-95.5= =-2.7(dB > 1μV/m)

64 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 63 Bruit atmosphérique Hiver,00-04TL : F am à 1 Mhz, modèle 322

65 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 64 Bruit atmosphérique Hiver,00-04TL : F am à 1 Mhz, modèle 322-3

66 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 65 Bruit atmosphérique Hiver,00-04TL : Variation en fréquence - variabilité

67 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 66 Bruit atmosphérique Distribution de valeurs de Fa BREST - f=5Mhz – hiver – TL

68 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 67 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 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)

69 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 68 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 B and STANAG 4539, which are able to transfer data over significant distances ( 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 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 B, MIL-STD A, STANAG 5066, MIL-STD B and MIL-STD A.

70 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 69 Systèmes de communications HF (civil) Ttt

71 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 70 SOMMAIRE Météorologie de lespace Propagation VLF/LF Propagation HF Bruit atmosphérique Logiciel de prévisions Bibliographie

72 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 71 Logiciel de prévisions SATIS Algorithme positionnement des paramètres externes (mois, année, heure, indice solaire), détermination du profil vertical dionisation 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 daffaiblissement maximal tolérable sur le trajet ou dun rapport S/B minimal à la réception, calcul de la fiabilité sur des fréquences particulières ou sur un plan de fréquences.

73 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 72 Logiciel de prévisions SATIS Distribution de lionisation en fonction de laltitude Paramètres du profil : UIT-R P1239

74 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 73 Logiciel de prévisions SATIS Différents modes de propagation

75 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 74 Logiciel de prévisions SATIS Différents types de trajets analysés

76 Télécom Bretagne/Dépt. MOpage 75 Bibliographie Davies K., Ionospheric radio, IEE electromagnetic waves series 31, Peter Peregrinus Ltd.,1990 SID monitoring station, 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.368 P.371 Choix d'indices pour les prévisions ionosphériques à long terme.371 P.372 Bruit radioélectrique372 P.373 Définition des fréquences maximales et minimales de transmission 373 P.684 Prévision du champ aux fréquences inférieures à 150 kHz environ684 P.845 Mesure du champ des ondes décamétriques845 P.846 Mesures de caractéristiques ionosphériques et de caractéristiques associées846 P.1239 Caractéristiques ionosphériques de référence de l'UIT-R1239 P.1240 Méthodes de prévision des MUF de référence et d'exploitation et du trajet des rayons de l'UIT-R1240


Télécharger ppt "PROPAGATION VLF/LF/HF Rolland FLEURY Télécom Bretagne 2014."

Présentations similaires


Annonces Google