155N: 0214-4557Física de la Tierra2000, 12, 337-351

Análisisdesituacionesextremaspara la caracteri-zacióndel canal ionosféricoencomunicacionesHF

G. MIRÓEstacióndeSondeosAtmosféricos«El Arenosillo».InstitutoNacionaldeTécnica

Aeroespacial,(Nra. SanJuandel Puerto-MatalascañasKm. 33,21130,Huelva,España

5, M. RADICELLALaboratoriode Aeronomíay Radiopropagación,AbdusSatamICTP, Trieste,ltaly

M. HERRAIZOpto. deGeofísicay Meteorología,UniversidadComplutense,Madrid,Spain

B. A. DE LA MORENA

Estaciónde SondeosAtmosféricos«El Arenosillo»,INTA, Huelva,España

RESUMEN

Habitualmente,paradeterminarlos principalesparámetrosmediosque inter-vienenen la radiopmpagacidnHP, se consideranperfilesmediosmensualesparacadahoradedensidadelectrónicaobtenidosa partirdemedidasexperimentaleso demodelos.El métodoutilizado se basaenlas conocidastécnicasde trazadoderayos.En esteartículoseintroduceel conceptodeworst casesparadefmir las condicionesextremas de propagación HP mediante perfiles individuales obtenidosparaunahora y una estación determinada. La selección se realiza a partir de las distribucio-nes de frecuencias acumuladas de la frecuencia crítica de la capa F2. Los perfileshorariosdel período 1993-1997,obtenidoscon la Digisonda256 en ElArenosillo,seintroducenenel programade trazadoderayosparacaracterizarlas condicionesextremasdecomunicaciónenun enlaceentredospuntospróximos.En loscálculosse ha asumidounaIonosferaesféricamentesimétrica.Los resultadosindicanqueparael intervalocomprendidoentrelas 8:00 UT y las 18:00UT esposibletransmitirinclusoenlas condicionesmásadversas.

Palabrasclave:RadiopropagaciónHF, Perfilesionosféricos,CasosExtremos,Trazado de rayos.

ABSTRACT

Mean HP radiopropagation parameters obtained with raytracing tecimiques areusuallydeterminedby model or experimentalaverageelectrondensityproflíes fora given time and location. In thispapertheconceptof «worstcases»is introducedto define extremeconditionsof propagation,usingseriesof individualprofiles foragivenhour andseasonandcumulativedistributionsfor keyprofile parameters.«Worstcase»conditions of radiopropagation for short distance links have beencharacterisedby applyinga 20 raytracingprogramto hourly digisondeprofilesobtainedat El Arenosillo in dic period 1993-1997.Sphericallystratified ionosp-herehas beenassumedin the calculations.The resultsshow the possibility of

337Física de la Tierra2000, 12, 337-351

G, Miró y otros Análisis de situaciones extremas para la caracterización del canal...

transmittingevenin the«worstcases»duringthe 8:00 IJT-l8:00UT hours inter-val.

Kcy words: HP radiopropagation,Densityprofiles, «WorstCases»,Raytracing.

1. INTRODUCCIÓN

Paraestablecerun enlacede comunicaciónentredospuntos,esesencialconocerel mediodondesepropaganlas señales,y las trayectoriasqueéstassiguendesdeel transmisoral receptor,caracterizandoel canaldc transmi-sión. El caso particular que se trata, consideraseñalesconfrecuenciasentre3 y 30 MHz(High Frequency, 1-IP) queviajan atravésde las distintascapasde la Ionosfera (80-2000 Kmde altura). Estetipo de comunicaciones tienenaplicaciónparaenlacesagrandesdistanciastanto enel campomilitar comocivil.

Entrelos parámetrosde radiopropagaciónquecaracterizane! canal io-nosféricodestacanprincipalmente,la frecuenciade operacióny el ángulodeelevaciónde la señal HP. Paracompletarel estudio puedenañadirse,eltiempo de retardo experimentado por la onda desde el transmisoral receptory la altura del punto donde la señal es reflejada. El cálculo de estosparáme-tros seefectúapormediode técnicasde trazadoderayosquesebasanente-

orías de ópticageométrica.Estastécnicasdescribenla trayectoriaexperi-mentadapor el rayo,basándoseen las condicionesdel canalde transmisiónionosférico.El estadodela Ionosferaenel momentodela transmisión,se in-troducea travésde losperfilesde densidadelectrónicacalculadosa partir deinnogramashorariosexperimentaleso demodelosteóricoso experimentales(International Reference lonospheric IRI, Di Giovanni-Radicella model,DGR, entre otros). Los ionogramas medidos experimentalmente són obteni-dos a partir de la digisonda DG5256. En la Figura 1, semuestrael ionogramacorrespondientea la Estaciónde SondeosAtmosféricos del INTA en ElArenosillo (37.1N,353.3E),del día 19 de Agostode 1998 a las 13:00UT ho-ras. En estecaso,puedendistinguirseperfectamentelas capasE, F1 y F2, dela Ionosfera.

Porotrolado,parael estudiodel comportamientomedio,seconsideranmé-todosdesarrolladosrecientemente(l-Iuangy Reinisch,1996), queproporcionandichos perfiles mediosa unahora fija, a partir de los perfilesde un períododado,por ejemplo,un mes.

En estetrabajose introduceel conceptode condicionesextremasparaidentificar situacionesdondelas característicasde propagacióndifieren subs-tancialmentede estascondicionesmedias.Paradefinir estascondicionesex-tremasse recurrea métodosestadísticos,obteniendolas distribucionesde fre-cuenciasacumuladasde un parámetroclave de la Ionosfera:La frecuenciacrítica de la capa F2, foF2.

Física de la Tierra2000, 12, 337-351 338

6, Miró ji otros Análisis de situaciones extremaspara la caracterización del canal...

2. METODOLOGÍA

Aunquelabasede datosionosféricosdisponiblesenlaEstacióndeSonde-osAtmosféricosdel INTA enEl Arenosillo (Huelva) provienedel año 1974,los perfiles de densidad electrónica empiezan a ser calculados en 1993, a partirde la adquisición de la digisonda DG5256que proporciona los ionogramas deforma digital (Figura 1). De este modo, para este estudio, se consideran perfilesinstantáneosy mediosparatodaslas horasdel período1993-1997.Comosehaindicado anteriormente, el método para obtener la media del perfil para cadahora, está descrito en Huang y Reinisch (1996).

Para seleccionar los casos extremos, se realizan para cada hora, las distri-buciones de frecuencias acumuladas de la frecuencia crítica de la capa F2,medida directamente delos ionogramas,incluyendotodoslos añosdisponibles(1993-1997).Previamente,se han revisadoy corregidomanualmentetodoslos datoslonosféricosde la basedigital considerada,medianteprogramasin-formáticos (ARTIST, ADEP) diseñados por la Universidad de Lowell (USA).

Las curvasde las distribucionesde frecuenciasacumuladasresultantes,permiten elegir el 1%de los casos con los valores de foF2 superiores e infe-

ECHO EH r’YIATC!FT ¡ VOHT RIEl. ¡ 1110<

¡S.S RT>flT ID

ERTO 11 1 1 ‘0 <00

I¡EHT <Hl FT TROCE PROF ILE TETE TVTETIITEOL 2~J’D ¡1111 h’PE’RT~ T ISTIOL FLOS 0<0<7<¡<IT O OLOIICE LIET’bH¡SEC.OLII’RFI< <TI .51<; ¡;~LI ¡ 1

Figura1. lonogramaverticalde INTA-EI Arenosillo

339Física de la Tierra2000,12,337-351

O, Miró y otros Análñrisde situacionesextremasparala caracterizacióndel canal...

• 00:00 UT• 02:00 UT• 04:00 UT

• 06:00 UT• 08:00 UT• 10:00 UT

1

1 0O~80

60’~R40~

20j

o

• 12:OOUT• 14:OOUTA 16:00 UT

~1-

50foF2

‘ña(0.1

Figura2. Distribuciónde frecuenciasacumuladasdefoF2enel períodoJ993-1997.

50 100 150 2< 50 100 150 200foF2 <0.1 MHz> foF2 (0.1 MHz)

18:00 UT20:00 UT22:00 UTA

1

150MHz> foF2 (0.1 MHz)

1.375 1.434 1.451 1.433 1.440 1.427

Física de la Tierra2060, t2, 337-351 340

O, Miró y otros Análisisdesituacionesextremasparalacaracterizacióndelcanal...

riores. Los perfiles correspondientes a este 1%de casos se escogen para cal-cular de forma independiente, la media superior e inferior para cada hora. Endefinitiva, se separan aquellas situaciones que presentan un comportamiento ex-tremo.

En la Figura 2, se muestran para algunas horas, las distribuciones de fre-cuencias acumuladas correspondientes al parámetro foF2 de todos los días delos años 1993 a 1997, en el INTA-El Arenosillo.

Los perfiles medios que corresponden a estas condiciones, extremas y me-dias,aparecenenla Figura 3. Paracadahora,aparecentresperfilesde densidadelectrónica que corresponden al perfil medio considerando el 1% de casos conmenor foF2, al perfil medio del 1% de casos con mayor foF2 y al perfil mediode todaslas situaciones.

En cada gráfica se pueden observar las diferencias entre las alturas de pico(máximo de densidad electrónica) y las frecuencias máximas para los casos ex-tremos y medios, correspondientes a todas las horas del día. Estosperfilesre-presentanlas condiciones ionosféricas, es decir, el estado del canal por el que setransmitenlas señaleshastaalcanzarel receptor.

Unavez seleccionadaslas distintassituaciones,extremasy medias,secal-culanlos principalesparámetrosde caracterización del canal ionosférico. Latécnicadetrazadoderayoselegidaparaesteestudioconsideraque la lonosfe-

350

3m

250

200

50

1%

50

0

~mtff

2 4 6 8 lO

4%

350

F~ Mt>

3m250

2%

150

Jm50 LOT

0 2 4 6 8 lO

350-

3m-

250-

~ 50-

3m-50-

0 2 4 6 8F~sr,a Mt)

350-1

3m.

250-

!2m2

~ 150-

3m-50.

12

ib ¡

O 2 4 6 8 0F~ M00

3%

250

U0150

1%

50

2 0 2 4 6 8F~sra ~

350

3%.

256

2m-

150

3m50-

12 0 2 4 6 8F~nna Mt

Selección superú Perfiles totales — Seleedón inferior

- Figura3. Perfilesde densidadelectrónicamediosparacadahora.

341

0I7% <11 02% Uf

10 12

30 2

04% Uf 04%Uf

Físico de la Tierra2000, 12, 337-351

G, Miró y otros Análisisde situacionesextremasparala caracterizacióndel canal.,.

mmuf

6 2 4 6 8 lO

Frectete (Ml-li)

0400UN

6 - 4 6 6 6F~eta M~

350

3%

2542

200‘325 ¡58

¡00

00

0 2 4 6 8 lO

Fr%vera (MF~)

350

300

250

¡—200~l50

¡88)

50

2 0 2 4 6 8 lO ¡2

4%.

250.

2842-

‘so.00~

¡00-

50

250~

300~

256-

~200-

£3

la-

50.

06. 00 Uf

II 2 4 6 8 lO

Fman~a M~

0 2 4 6 8 lO 1

Frmseta (MI-Ir>

4%.

350-

300-

250-

2843-

¡00-

50- 12:00 LII

450.254)-

200-2512-

203-

1

180

50

0 2 4 6 8 lO 12

FeaMoe (Mk>

250

3%

250

¡00

50 15.mtjf

0 2 4 6 8 lO ¡2

350-

3843-

250-

-~ 200-

1 í~o~¡00-

50-

Fm0iaa (MI-Ir>

1300 LII

0 2 4 6 8 lOF~aoa Mt)

0 2 4 6 8 lO

Fr&neta (bus)

12

350

250

¡ 2541‘3= 150

100-

30-

0-

1400Uf

0 2 4 6 8 lO

Fr50sta (MHz>

350-

3%.

250

~ 200~

lic.

10050-

¡2

573% JI

0 2 4 6 8 lO

Fr~50ta(MHz>

Seleedén superior Perfiles totales — Selección inferior

Figura3. Perfiles dedensidadelectrónicamediosparacadahora.

350-

3%.

256-

200-

1

¡86-50~

400-

356-

3m.

230-

~20yf

1

¡50.

50-

0700Uf

‘150 UN

16:00 LII

Física de la Tierra2000, 12. 332-351 342

O, Miró y otros Análisis de situaciones extremas para la caracterización del canal...

l~% Uf

O 2 4 6 8 lO 12

Emana~

21% Uf

0 2 4 6 8 lO 12

Fma~aMt)

350.

3%.

230i

1%-

Y13.

N00 <ST

O 2 4 6 8 lO 12Fr~ara Mt)

350

3%

.~~25O

~ 1501%

50 <STo

0 2 4 6 8 lO 12

Fr~nta 3M-Ir)

350-

3%-

250-

~ 2%

~ 350.

100~

50.

0 2 4 6 8

Fr02st¡aM00

0 2 4 6 8Ftana M~

Selección superior — Perfiles totales — Selección inferior

Figura3. Perfilesde densidadelectrónicamediosparacadahora.

raqueatraviesalaseñal,es bidimensiona]ydespreciael campomagnéticoy lascolisiones entre iones y partículas neutras (Moorhea4 y Radicella,1998). La se-gunda condición sólo es asumible para frecuencias superiores a 6 MHz.

El programase denominaabcrayO3y estábasadoen los estudiosrealizadospor Croft (1968, 1969) sobretécnicasde trazadode rayosy modelosionosféricoscuasiparabólicos. Considera la Ionosferadividida enpequeñascapasconíndicede refracción constante y dibuja la trayectoria del rayo paso a paso, mediante unaforma modificada de la conocida Ley de Snell. De este modo, trazando el cami-no del rayosedefinenlospuntosti y c de la Figura 4.

Estos puntos b y e y el centro de curvatura definen un triángulo que permiteaplicar la ley del seno:

Pbsen = sen $6 —

PC

Porotro lado,enelpuntoc. la ley deSnell puederepresentarsecomo:

sen& = senfi~ McPb

350.

3m.

250-

150-

100-

50.

o.

120%Uf

350-

3%.

250-

2%-

150-

1%-

50-

O.

350-

3%,

250

150.

3%.

50 Z2%UT

¡0 ¡

lO ¡2

343Física cje la Tierra2000,12,337-351

O, Miró y otros Análisis de situaciones extremas para la caracterización del canal...

Rayo

Punto b

y,1

4,

A

Figura4. Geometríadel trazadode rayo.

dondey,, y ¡~ son los índicesde refracciónde los puntosb y e respectiva-mente.

Igualando obtenemos:

~ p,, sen 13,, = Y,, P,, sen¡3,,

3. ANALISIS DE DATOS

Medianteestatécnicade trazadode rayoscomentadaen el apartadoanterior,se obtienenla frecuenciadeoperación,el tiempode retardode la señaldesdeeltransmisoral receptor,el ángulodeelevacióny la alturadel puntodeapogeo.Elprogramatrazatodoslos rayosquesalendesdeel transmisorcuyafrecuenciayángulodeelevaciónsesitúendentrodel rangodeseado.Esdecir, realizaun ba-nido en frecuenciay ángulo de elevación,paraseleccionaraquellasseñalesquealcanzan el receptor.En esteestudio,el rangode frecuenciasseestableceen elintervalo de 2 a 15 MHzy el deángulosde elevación,de6 a 60 grados.

Las condicionesdel canal detransmisiónparacadahora,son introducidascon los distintos perfiles mediosmostradosanteriormenteen la Figura 3.

Para este estudio,sehaescogidoun enlaceentredosestacionesionosféricasespañolas,IiNTA-EI Arenosillo (37.lN, 353.3E) y el Observatorio del Ebro

Punto e

pe

Física de la Tierra2006, 12,337-351 344

G, Miró y otros Análisisdesituacionesextremasparala caracterizacióndel canal...

(40.SN,O.SE),quedistanunos785Km,considerando sólo los casos de trans-misión con un único rebote en la Ionosfera.

Para cada hora, se obtienen tres caracterizaciones diferentes, correspondien-tesa distintascondicionesdel medio: lamediade todoslos años, y las seleccio-nes del 1% de casos con foF2 inferior, y del 1% de casos con foF2 superior.

Si se representa el camino recorrido por la onda, P’, que es proporcional altiempo de retardo de la señal, frente la frecuencia, se obtiene un ionogramaoblicuo. En cada ionograma se observa el número de rayos que alcanzan el re-ceptorparacadauna de las frecuencias(rebotes)y permiteseleccionarencada caso cuáles de éstas son óptimas. Los ionogramas oblicuos para algunasdelas horascalculadasestánrepresentadosen laFigura5. De igual modo,hansidocalculadoslos ángulosdeelevacióny alturasde apogeo.

180000:00 UT1600140012001000800600

U 1 2 3 4

180006:00 UT

1600~ 1400

12001000

~ 800600

eA

01

e

E

¡

5 43 ! 8 9101112131415frecuencia <MHZ)

23456 7 8 9 101112131415frecuencia (MHz)

• MediosSelección inferiorSelección superior

Figura5 lonograniasoblicuosparadistintashoras,

345 Física de la Tierra2000, 12, 337-351

O, Miró y otros Análisis desituacionesextremasparala caracterizacióndcl canal...

2

o-

11111

180018:00 UT

16001400

E 12002

1000o- 800

60001

—

—

—

-.

L—.—.

u

K2 3 456789 101112131415

frecuencia (MHz)

• Medios• Selección inferiorA Selección superior

Figura5. Ionogran,asoblicuosparadistintashoras(continuación)

Si seleccionamos de forma independientecadafrecuenciadel intervaloestu-diado (2-15 MHz), y se representasu evoluciónrespectoala horadeldía,puedenobservarselas frecuenciasquese transmitenen cadahora y paracada circuns-tancia,extremao media.A pesarde quesólo las frecuenciassuperioresa 6 MHzpermiten la suposición que desprecia el campo magnético, se ha elegido este in-tervaloparadarunainfonnaciónmáscompletade la evoluciónde las frecuencias.

En la Figura6 semuestrala variaciónhorariadel camino de grupo (P’),paraalgunasde estasfrecuencias.

frecuencia (MHz)

Física de la Tierra2000.12,337-351 346

O, Miró yotros Análisisdesituacionesextremasparala caracterizacióndelcanal...

1GOC

1400

rsco-

1200)

1000~

800

600 ó

3.5 MHz

2 ég 12 15 18 21

Horas

rsco-

1

1

1

1400~

-~ 1200-

~ 1000~o-

800

600

4.5 MHz

5.5 MHz

o a 6 9 12 15 18 21

Horas

• Medios• Selección inferiorA Selección superior

Figura6. Evoluciónhorariaaftecuenciasfijas.

mli.

tI8sp~ ~

24

Horas

e

•s a n a

[AA

24

347Física de la Tierra2000, 12, 337-351

O, Miró y otros Análisis de situaciones extremas para la caracterización del canal...

7.5 MHz

036 9 12 15 18 21Horas

8.5 MHz

MediosSelección inferiorSelección superior

Figuraó. Evoluciónhorariaa frecuenciasfijas (continuación).

Física de la Tierra2000,12,337-351

sc

o-

1600

Horas

a

sco-

1400~

12001

1000-

600

A

ika“~Ia*nahI’

24

o-

u

oA

Horas

348

O. Miró y otros Análisisdesituacionesextremasparala caracterizacióndel canal...

3. CONCLUSIONES

El método descrito permite estimar la frecuencia de operación, el ángulo deelevación, la altura del punto de apogeo y el tiempo de retardo para condicionesmedias y extremas.

Losresultadosmuestranquedurantelas horasdiurnas,es decir,parael in-tervalo aproximado de 8:00 IJT a 18:00 UT horas, existen frecuencias que setransmiten bajo las tres condiciones estudiadas. De este modo, eligiendo unafrecuenciade operaciónparacadahoradiurna,engeneralentre6 y 8 MHz, laseñal sería recibida bajo cualquier condición ionosférica.

Sin embargo,en lashorasnocturnas,las frecuenciasparalas que se esta-blece el enlace entre transmisor y receptor en todas las circunstancias, son ex-tremadamentebajas(2 y 3 MHz), y por las limitaciones indicadas anterior-menteno debenserconsideradasen estetipo de técnicasdetrazadode rayosdondeel campomagnéticose suponedespreciable.Portanto,la transmisiónafrecuencias superiores a 6 MHz, para estas horas, sólo es posible para condi-cionesionosféricasqueincluyanunaconcentraciónde electronesanormal-menteelevada.

Desdeel puntodevistadelas comunicacionesHP, las situacionesmáspe-ligrosasson aquellasqueproducenunaimportantedisminucióndela frecuen-cia críticade la capaF2 porqueello puedeprovocarlapérdidade la señal.LaTabla 1 muestraparalas 24 horasdel día, el númerode rebotescorrespon-dientesaeste1% de situacionesmásdesfavorables(columna3), comparadoconel númerocorrespondientea la totalidadde las situaciones(columna2).Puedeobservarsequesóloentrelas 8 y las 16 horasUT, estenúmeroesacep-table,lo queindicaqueúnicamenteenhorasde elevadailuminaciónsedapo-sible transmitirbajocualquiercondición.

Lanecesidaddecrearun conjunto dedatossuficientementeextensoparaloscálculosestadísticosqueconstituyenla basedeesteestudio,hamotivadola in-clusiónde todala baseionosféricadisponibleen El Arenosillo (1826 datosaproximadamente), sin establecer distinciones entre diferentes actividades so-lares y geomagnéticas,estacionesdel año,etc... Como consecuencia,debeconsiderarsequelos resultadosy conclusionesrespondena todotipo desitua-cionesionosféricas.

Además, se han considerado sólo datos obtenidos en la Estación de SondeosdeEl Arenosillo, puntodel transmisor,sinconsiderarla informaciónaportadaporlos perfilesdisponiblesen el ObservatoriodelEbro. Dadoquela distanciaqueseparaambospuntos,unos‘785 Kms,permiteun enlaceconun solorebo-te ionosférico,y queportanto,la reflexiónsesituaríapróximoal puntomedio,un cálculomásexhaustivoconsideraríaunainterpolaciónentreambosperfilesde densidadelectrónica;Sinembargo,lanecesidaddeagruparelmayor númeroposiblededíasy horasha motivadode nuevoestaaproximación,ya quelasmuestrasdeambosobservatoriosno eransiemprecoincidentes.

349 Física de la Tierra2000, 12. 337-351

G, Miró y otros Análisisdesituacionesextremasparala caracterizacióndel canal...

casostotales casosinferiores

2525

25

254:00 4 1 25

5:00 7 1 146:00 4 0 07:00 16 2 138:00 23 19 83

9:00 757710:00

11:00 6812:00 83

13:00 717414:00

15:00 70

16:00 28 17 6117:00 27 13 4818:00 24 6 2519:00 19 3 16

20:00 15 3 20

21:00 II 2 1822:00 6 1 17

23:00 6 17

Tabla 1. Porcentajede casosquealcanzanel receptor.

4. REFERENCIAS

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