Caracterización del canal ionosférico para un enlace HF punto a punto mediante técnicas de trazado de rayos

      La caracterización del canal ionosférico tiene una aplicación directa en el diseño de los equipos transmisores y receptores que establecen el enlace HF entre dos puntos, y permite mejorar las condiciones de comunicación en un determinado momento. De esta forma, los resultados y conclusiones de esta Tesis Doctoral servirán para optimizar el enlace entre dos puntos separados geográficamente 800 Km., INTA-El Arenosillo y el Observatorio del Ebro.

      Aunque en la actualidad existen servicios que en el ámbito mundial dan información de previsiones de parámetros esenciales en la comunicación como la máxima frecuencia utilizable MUF o la mínima frecuencia utilizable LUF, el CCIR (Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones) y el CNET (Centre National d’Etudes des Télécommunications, France Telecom)…, en esta Tesis Doctoral, se han considerado datos ionosféricos específicos y reales de este enlace al disponer de sondeadores en los puntos transmisor y receptor, y no un modelo aproximado de ellos.

      En definitiva, esta Tesis caracteriza el canal ionosférico entre El Arenosillo y el Observatorio del Ebro, definiendo el estado de la Ionosfera mediante perfiles de densidad electrónica obtenidos directamente de las medidas reales de ambos puntos, siendo la primera vez que estos datos han servido de base para un estudio de estas características.

      Como requisito previo para alcanzar el objetivo de esta Tesis Doctoral, ha sido necesario dedicar una gran parte del esfuerzo hacia la creación de una base de datos ionosféricos en la Estación de Sondeos Atmosféricos de El Arenosillo. Con la expresión creación de una base de datos, se quiere definir todo el proceso que conlleva el seguimiento de los equipos que proporcionan los datos, su corrección manual y su presentación en los formatos específicos de los centros mundiales de datos.

      La presentación de esta Tesis se ha dividido básicamente en tres bloques.

      En primer lugar, se proporciona una base teórica que sitúe el concepto caracterización del canal ionosférico para un enlace HF punto a punto mediante técnicas de trazado de rayos. Para ello, se explica con detalle la Ionosfera, una región atmosférica con elevada densidad electrónica que permite la transmisión y reflexión de las señales HF, describiendo su formación, cada una de sus capas, y su función en las comunicaciones a grandes distancias (Sección 2.1). Esta alta densidad electrónica está relacionada con el índice de refracción y es, por tanto, la responsable de las sucesivas refracciones que la señal experimenta al entrar en la Ionosfera y que permiten su propagación. Este proceso de propagación se expone desde dos puntos de vista, por un lado una visión más detallada, que describe paso a paso el camino seguido por las señales a través de capas de diferentes densidades electrónicas e índices de refracción (Sección 2.2.1), y por otro, una visión general, que presenta un modelo geométrico simplificado para aproximar la trayectoria recorrida desde el transmisor al receptor (Sección 2.2.2). Sin embargo, para un estudio más exhaustivo de la propagación de ondas de radio, es necesario recurrir a otro tipo de modelos y procedimientos, de este modo, aparecen las técnicas de trazado de rayos (Sección 3.5). Para comprender el método seguido en ellas a la hora de caracterizar el canal ionosférico, es necesaria una explicación previa de algunos conceptos y términos (Secciones 2.3 y 2.4).

      Así mismo, ha sido preciso introducir los perfiles de densidad electrónica que reflejan la distribución de la densidad de electrones en las distintas capas ionosféricas y aportan a este tipo de técnicas, la información del estado de la Ionosfera necesaria para trazar paso a paso el camino seguido por la señal. Estos perfiles se calculan a través de modelos como IRI o DGR (Sección 2.3) o directamente a partir de los datos experimentales con programas como NHPC o ARP (Sección 3.4).

      También ha sido necesario definir algunos parámetros para caracterizar el canal ionosférico, es decir, la frecuencia de transmisión de la señal, el ángulo de elevación, la máxima frecuencia utilizable, la mínima frecuencia utilizable, los distintos modos de propagación, la absorción de la señal…y lascaracterísticas de la señal recibida. Esta tarea es realizada en las secciones 2.4 y 2.5.

      En el siguiente bloque, se presenta todo el proceso seguido desde la obtención de las medidas experimentales con los equipos sondeadores (Sección 3.1), hasta la ejecución de las técnicas de trazado de rayos que caracterizan el canal ionosférico, de esta forma, se describen las bases de datos de las características ionosféricas y de los perfiles de densidad electrónica utilizadas (Secciones 3.3 y 3.4), y las técnicas de trazado de rayos que se comparan en esta Tesis, conocidas como abcray03 y Proplab-Pro (Sección 3.5). Este bloque ha representado sin duda el trabajo más laborioso y largo de la Tesis pues ha sido necesario crear una base de datos de parámetros y perfiles para las técnicas de trazado de rayos, así como adaptarla para ambos programas. También se ha profundizado en las técnicas de trazado de rayos escogiendo, en principio, el modelo más simple que desprecia el campo magnético y las colisiones entre las partículas y los electrones.

      Una vez preparada la información sobre las condiciones ionosféricas, y la metodología a seguir hasta la obtención de los parámetros que caracterizan el canal ionosférico, se inicia un tercer bloque en el que, debido a que todos los perfiles que se utilizan en la caracterización del canal son medias mensuales horarias, se ha considerado necesario realizar un estudio de las diferencias que estos perfiles medios presentan frente a los obtenidos para cada día del mes (Sección 4.2). Además, la caracterización del canal ionosférico se ha analizado bajo diferentes situaciones de:

      – Variabilidad horaria, estacional y de actividad solar de las condiciones ionosféricas. De este modo, se ha caracterizado el canal de transmisión durante los meses de Enero, Abril, Julio y Octubre, y los anos 1995 y 1998 (Sección 4.3).
      – Condiciones ionosféricas en el punto de reflexión, dadas por la interpolación de los perfiles en ambos puntos o por sólo uno de los perfiles de El Arenosillo y Ebro. Si las diferencias no son significativas la caracterización del canal podrá también realizarse cuando la información del estado de la Ionosfera en uno de los puntos, no esté disponible (Sección 4.4).
      – Disponibilidad de perfiles de densidad electrónica experimentales o de parámetros experimentales (foF2 y M(3000)F2) introducidos en modelos de perfiles. Para ello, se realiza una comparación de resultados de caracterización obtenidos con ambos métodos (Sección 4.5).

      En otro apartado de este bloque (Sección 4.6), se realiza un análisis de los casos que presentan un comportamiento extremo en la propagación de las señales de radio. Debido a que este tipo de estudios, relacionados con fenómenos propios de la Naturaleza, donde repetir las mismas condiciones es prácticamente imposible, no puede asociarse a un cálculo tradicional de errores, esta sección proporciona una idea del error cometido en la caracterización del canal. Por ello, además de los errores inherentes al uso de equipos de medidas, se ha considerado la variabilidad, como estimación del error cometido, realizando mediante la utilización de distribuciones de frecuencias acumuladas, una selección de las condiciones extremas del canal ionosférico en las que el método de caracterización se aleja del estado medio.

      También, se ha comprobado la validez de la técnica de trazado de rayos utilizada en la tesis mediante una comparación con un programa comercial, el Proplab-pro, (Sección 4.7), que puede ejecutarse con las mismas opciones y condiciones que el abcray03.

      Para terminar y completar los resultados obtenidos bajo condiciones ionosféricas diversas, se ha considerado interesante añadir dos meses de alta actividad solar: Octubre de 1999 y Enero de 2000. En la Sección 4.8, se detalla la influencia que este aumento de la actividad solar tiene en los parámetros de propagación que caracterizan el canal ionosférico.

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 11 2.1. El medio de transmisión: La Ionosfera.
2.1.1. La formación del plasma ionosférico.
2.1.2. La capas ionosféricas.
2.1.3. Las características ionosféricas.
2.2. Propagación de ondas de radio en la Ionosfera.
2.2.1. El índice de refracción.
2.2.2. Modelo geométrico simplificado de propagación oblicua. Teoremas de Breit-Tuve y Martyn.
2.3. Modelos para perfiles de densidad electrónica.
2.3.1. Modelo IRI (Ionosfera de Referencia Internacional). 2.3.2. Modelo DGR (Di Giovanni – Radicella).
2.4. Caracterización del canal ionosférico,
2.4.1. Parte coherente y no-coherente del canal ionosférico.
2.4.2. Algunos parámetros para la caracterización del canal ionosférico.
2.4.3. Máxima frecuencia utilizable MUF.
2.4.4. Mínima frecuencia utilizable LUF.
2.4.5. Frecuencia óptima de trabajo FOT.
2.4.6. Modos de propagación. Altura del punto de apogeo.
2.4.7. Absorción desviativa y no desviativa.
2.4.8. Tres variables dependientes: Frecuencia, rango y ángulo de elevación.
2.5. Características de la señal HF recibida.

3. METODOLOGÍA 57
3.1. Sistemas terrestres de observación de la Ionosfera.
3.2. Ionogramas verticales y oblicuos. 3.3. Tratamiento de datos.
3.3.1. Base de datos de características ionosféricas. 3.4. Técnicas de obtención de perfiles ionosféricos.
3.4.1. Programa NHPC.
3.4.2. Programa ARP.
3.4.3. Programa THTABLE
3.4.4. Base de datos de perfiles ionosféricos
3.5. Técnicas de trazados de rayos.
3.5.1. El programa abcray03.
3.5.2. El programa Proplab-pro.

4. APLICACIÓN EXPERIMENTAL 97
4.1. El enlace de comunicaciones El Arenosillo – Ebro.
4.2. Estudio de las diferencias que los perfiles medios mensuales presentan frente a los obtenidos para cada día del mes.
4.3. Caracterización del canal ionosférico mediante el programa abcray03.
4.4. Caracterización del canal ionosférico a partir de la información de densidad electrónica de ambos puntos del enlace o de sólo uno de ellos.
4.5. Caracterización del canal ionosférico a partir de perfiles de densidad electrónica experimentales o de parámetros experimentales (foF2, M(3000)F2).
4.6. Estudio de los casos extremos de la comunicación HF en El Arenosillo.
4.7. Comparación de los resultados del programa de simulación abcray03 y del Proplab-pro.
4.8. Caracterización del canal ionosférico para dos meses de actividad solar muy elevada: Octubre de 1999 y Enero de 2000.

5. CONCLUSIONES Y LÍNEAS DE FUTURO 167

6. REFERENCIAS CITADAS EN LA MEMORIA 171

7. OTRA BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA 175

8. GLOSARIO 179

ANEXO I 183
Resultados para condiciones ionosféricas dadas por uno o dos extremos del enlace.

ANEXO II 195
Resultados con el programa abcray03, para perfiles ARP o IRI con foF2 y hmF2.

ANEXO III 207
Resultados con el programa abcray03 y Proplab-pro.

Aunque las conclusiones de cada etapa del estudio han sido ya presentadas en las secciones correspondientes, seguidamente se resumen los principales resultados obtenidos en cada una.

Sección 4.2: Estudio de la variabilidad de los perfiles de densidad electrónica en El Arenosillo. Comparación para cada hora de perfiles mensuales medios con perfiles diarios:

1. El número de casos para los que el error relativo D entre valores correspondientes a perfiles mensuales medios y perfiles diarios, para una hora y altura determinadas, se sitúa dentro del intervalo (-0.2 , 0.2), supera el 93,8 %.
2. El número de casos para los que este error relativo D, se sitúa dentro del intervalo (-0.1 , 0.1), supera el 74,1 %.
3. Por tanto, se establece que el perfil mensual medio para cada hora, es representativo de las condiciones ionosféricas del mes, y como consecuencia, la caracterización del canal de transmisión de las secciones siguientes se realiza a partir de estos comportamientos medios.

Sección 4.3: Caracterización del canal ionosférico mediante el programa abcray03:

1. Se ha llevado a cabo la caracterización del canal ionosférico para el enlace INTA, El Arenosillo (37.1N, 353.2E) — Observatorio del Ebro (40.8N, 0.5E), determinando los parámetros principales para conocer la trayectoria de las señales bajo cualquier condición ionosférica (horaria, estacional y de actividad solar).
2. La diferencia de actividad solar que existe entre el año 1995 y 1998, se refleja claramente en las frecuencias de operación, superiores en 1998, pero no en los demás parámetros de propagación estudiados (ángulos de elevación, tiempos de retardo y alturas de apogeo).
3. Los modos E en 1995 representan el 51% de los rebotes y en 1998, el 45%, con alturas de apogeo dentro del intervalo de 90 Km – 110 Km.
4. Los modos F aparecen en el 49% de los casos en 1995, y en el 55%, en 1998. Las alturas de apogeo vienen distribuidas hasta 307Km en 1995 y 336Km en 1998.
5. El ángulo de elevación presenta una distribución bimodal alrededor de 12° (ángulo bajo modo E) y 31° (ángulo bajo modo F), en 1995 y 1998.
6. Los tiempos de retardo también se distribuyen de forma bimodal en 2.7 y 2.8 ms, por un lado, y 3 y 3.3 ms, por otro. El comportamiento para 1995 y 1998 es el mismo.
7. En general, se comprueba que la variación diaria y estacional de la frecuencia máxima de operación MUF, es similar a la de la frecuencia crítica de la capa F2, foF2.

Sección 4.4: Caracterización del canal ionosférico a partir de la información de densidad electrónica de ambos puntos del enlace o de sólo uno de ellos:

1. En todas las condiciones estudiadas y para los tres parámetros de propagación: alturas de apogeo, ángulos de elevación y tiempos de retardo, el número de casos cuyas diferencias se encuentran dentro de los márgenes de error propios del equipo de medida, están en tomo al 80%.
2. No se observa ningún tipo de dependencia con los cambios de actividad solar, ni con el perfil, de El Arenosillo ó del Ebro, elegido.
3. Las condiciones ionosféricas en el punto de reflexión, dadas por la interpolación de los perfiles en ambos extremos o por sólo uno de los perfiles, de El Arenosillo ó Ebro, no influyen significativamente en los resultados de caracterización.
4. Como consecuencia, existe una simetria radial respecto al transmisor en este tipo de enlaces con distancias transmisor-receptor próximas a 800 Km y con localizaciones de latitudes medias.

Sección 4.5: Caracterización del canal ionosférico a partir de perfiles de densidad electrónica experimentales o de parámetros experimentales (foF2, M(3000)F2):

1. Para cada frecuencia, las diferencias entre los dos métodos se sitúan dentro de los márgenes de error en un 70% de los casos, para el ángulo de elevación y el tiempo de retardo.
2. Este nivel no es superado por la altura de apogeo, que presenta un 64% en 1995 y un 54% en 1998. Sin embargo, es importante señalar que, salvo casos excepcionales, esta diferencia de altura no implica un cambio de modo E a F ó viceversa.
3. En los tres parámetros, alturas de apogeo, tiempos de retardo y ángulos de elevación, el porcentaje de casos cuyas diferencias se encuentran dentro de los márgenes de error, es menor en el año de mayor actividad solar, 1998.

Sección 4.6: Estudio de los casos extremos de la comunicación HF en El Arenosillo:

1. Los resultados muestran que si se establecen comunicaciones con frecuencias de operación de 6 a 8 MHz, la señal es recibida durante las horas diurnas (08:00 UT – 17:00 UT), bajo cualquier condición ionosférica, media o extrema.
2. En horas nocturnas, para lograr una comunicación en todos los casos, las frecuencias deben ser extremadamente bajas, 2 y 3 MHz, y no pueden ser consideradas bajo condiciones que desprecien el campo magnético.
3. Cuando se produce una importante disminución de foF2, es decir, para el 1% de los casos, la señal alcanza el receptor en el 60 – 70 % de las ocasiones, durante las horas diurnas. La mayoría de estos rebotes se realizan por medio de la capa E.

Sección 4.7: Comparación de los resultados del programa de simulación abcray03 y del Proplab.pro:

1. Aparecen mejores resultados para el año de mayor actividad solar, 1998, debido a que las diferencias para la altura de apogeo se sitúan dentro de los márgenes de error en un 96% de los casos con el perfil de El Arenosillo y un 97% con el del Ebro. Para el tiempo de retardo, estos porcentajes son del 78% y 73% respectivamente.
2. No se observan diferencias en los resultados obtenidos con el perfil de El Arenosillo o del Ebro.
3. Las diferencias en alturas son no significativas debido a que más del 95% de los casos están dentro del margen de error de 5 Km.
4. Los cambios de modo provocados por esta diferencia en altura de apogeo no sobrepasan el 3.8% de los casos.
5. En consecuencia, puede decirse que el uso de un programa comercial como el Proplab.pro constituye una buena alternativa.

Sección 4.8: Caracterización del canal ionosférico para dos meses de actividad solar muy elevada: Octubre de 1999 y Enero de 2000:

1. Se comprueban las conclusiones obtenidas en la sección de caracterización del canal para los años 1995 y 1998.
2. Las alturas de apogeo correspondientes a los modos E, están dentro del intervalo 90 Km -110 Km. Y para los modos F, estaban distribuidas hasta los 317 Km.
3. El ángulo de elevación también presenta una distribución bimodal alrededor de 12° (ángulo bajo modo E) y 31° (ángulo bajo modo F). Y los tiempos de retardo se distribuyen de forma bimodal en 2.7 y 2.8 ms, por un lado, y 3 y 3.3 ms, por otro.
4. Las frecuencias máximas de operación sí reflejan una clara influencia de la actividad solar, por lo que el rango de frecuencias de transmisión relativos a estos dos meses experimenta un notable incremento. 

En definitiva, se han alcanzado los objetivos planteados en esta Tesis Doctoral:

1. Creación de bases de datos relativas a características y perfiles ionosféricos en la Estación de Sondeos Atmosféricos de El Arenosillo.
2. Obtención de los parámetros de caracterización del canal ionosférico para distintas horas, meses y actividades solares.
3. Estudio bajo condiciones ionosféricas dadas por:
– Perfiles experimentales de El Arenosillo y Ebro.
– Perfil experimental de El Arenosillo o Ebro.
– Perfil IRI con foF2 y hmF2 experimentales.
– Perfiles de situaciones extremas alejadas del comportamiento medio.
4. Comparación de los resultados obtenidos con otra técnica de trazado de rayos: Proplab-Pro.

Indudablemente, el trabajo realizado no agota el interés del tema sino que abre nuevas líneas de investigación, surgidas algunas de ellas de las limitaciones en el planteamiento del trabajo y otras de los resultados obtenidos. De este forma, consideramos que sería interesante continuar estas investigaciones abordando los siguientes aspectos:

1. Ampliar los datos ionosféricos utilizados, para completar un ciclo solar y abarcar todo el rango de actividad solar.
2. Incluir en la técnica de trazado de rayos considerada, el efecto del campo magnético terrestre y las colisiones entre electrones y partículas neutras, que permitan obtener resultados de la intensidad de la señal recibida a partir de la medida de absorción experimentada al atravesar las capas ionosféricas.
3. Extender los resultados de caracterización para enlaces con transmisor y receptor móviles, estableciendo además, un sistema de predicción de frecuencias óptimas en cada momento.
4. Aplicar esta técnica de caracterización del canal, en comunicaciones HF militares, como las que se presentan en la continuación del proyecto CICYT mencionado en la sección 1.3, y que pretende desarrollar un Sistema Digital Avanzado de Comunicaciones en HF (Proyecto SIDAC).