Obserwatorium Astronomiczne UJ Zakład Fizyki Wysokich Energii Instytut Fizyki UJ Zakład Doświadczalnej Fizyki Komputerowej Akademia Górniczo-Hutnicza Katedra Elektroniki Andrzej Kułak, Janusz Młynarczyk - Katedra Elektroniki AGH/OA UJ Sondowanie jonosfery przy pomocy stacji radiowych DRM
Sondowanie jonosfery - Jonosondy Sondowanie
Historia
Jonosondy analogowe duże moce nadajników P = 2-10 kw szerokopasmowe anteny log-per wspólna antena dla TX i RX wyjście analogowe wyjście analogowe ucyfrowione
Obecny stan rzeczy - jonosondy cyfrowe - I generacja Digisonde 256 University of Lowell - ULCAR układ adaptywnego sondowania Adaptive Sounding moc nadajnika P = 5 kw rozdzielna antena dla TX i RX rozdzielczość po wysokości: 256 masa urządzenia: 500 kg
Obecny stan rzeczy - jonosondy cyfrowe - I generacja
Cyfrowe przenośne Obecny stan rzeczy - jonosondy cyfrowe - II generacja Digital Portable Sounder DPS - 4 konstruktor: dr Donald Mark Haines - 1994 A portable ionosonde using coherent spread-spectrum waveforms for remote sensing of the ionosphere University of Lowell mała moc nadajnika P = 300 W zastosowanie metody rozpraszania widma formowanie sygnału metodą DSP rozdzielna antena dla TX i RX rozdzielczość po wysokości: 256 wszystkie polaryzacje wysoka zdolność rozdzielcza po szybkości masa urządzenia: 50 kg
DPS-4 DPS - 4
DPS-4 jonogram - 4
DPS - 4
Sondy cyfrowe - porównanie
Przyczyny wprowadzania standardu DRM ELF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 3 khz 30 khz 300 khz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz 100 km 10 km 1 km 100 m 10 m 1 m 10 cm 1 cm 1 mm pasma AM są nadal atrakcyjne dla nadawców: ograniczony zasięg radiowy radiofonii UKF, w przeciwieństwie do zakresów HF, MF i LF Fale długie umożliwiają łączność na kilkaset kilometrów Fale krótkie umożliwiają łączność kontynentalną Potrzebna radiofonia cyfrowa na zakresach poniżej 30 MHz: niewystarczająca jakość istniejącej radiofonii AM można przesyłać dodatkowe informacje związane z programem
Digital Radio Mondiale (DRM) Standard radiofonii cyfrowej dla fal długich, średnich i krótkich 2003 Standard ETSI (ES 201 980) Rekomendacja ITU-R (BS1514-1) czerwiec 2003 pierwsze emisje korzyści: jakość dźwięku zbliżona do uzyskiwanego w radiofonii FM, ale w paśmie dla AM wyświetlanie dodatkowych informacji niewielkie modyfikacje w istniejących systemach nadawczych możliwość odbioru programów z całej Europy a nawet z innych kontynentów => DRM łączy dobrą jakość dźwięku z dużym zasięgiem obecnej radiofonii AM
Jak to rozwiązano? jonosfera fala jonosferyczna fala przyziemna główną trudnością transmisji cyfrowej jest zmienność propagacji jonosferycznej
Specyfika propagacji na falach długich i średnich jonosfera LW, MW (dzień) MW (noc) radiofonia długofalowa (153 khz - 279 khz, pasmo 9kHz) (ITU Region 1) wykorzystywana głównie fala przyziemna, radiofonia średniofalowa (531 khz 1602 khz, pasmo 9 khz) fala przyziemna w ciągu dnia, fala jonosferyczna w nocy (refrakcja w warstwie E jonosfery)
Specyfika propagacji na falach krótkich jonosfera HF brak odbioru HF radiofonia na falach krótkich (2.3 MHz - 26.1 MHz, pasmo 10 khz) głównie fala jonosferyczna możliwa łączność międzykontynentalna ograniczenia: stosunek sygnał/szum, wielodrogowość, efekt Dopplera
Specyfika propagacji w zakresie HF - trajektorie fal 289 wysokosc [km] 186 110 85 8 14 36 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 trajektorie fal radiowych z pojedynczej wiązki antenowej dla przykładowego profilu jonosferycznego
Specyfika propagacji w zakresie HF - trajektorie fal 289 wysokosc [km] 186 110 85 0 4MHz 17MHz 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 trajektoria w zależności od częstotliwości emisji
Specyfika propagacji HF - zasięg w funkcji kąta wypromieniowania 4000 zasięg [km] 3000 2000 1000 F1 F2 E 18MHz f >f cf2. F1 F2 E 9MHz f < f cf1. F1 4MHz 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 kąt elewacji [deg] zmiana zasięgu w funkcji kąta wypromieniowania fali dla różnych częstotliwości emisji
Specyfika propagacji w zakresie HF - wpływ pola magnetycznego 250 wysokość [km] 200 150 100 50 x o odchylnie [deg] 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0.4 0.2 0-0.2 odległość [km] -0.4 0 100 200 300 400 500 600 700 800 odległość [km] x o przykładowe trajektorie fali zwyczajnej i nadzwyczajnej
Wielodrogowość jonosfera opóźnienia rzędu 1-5ms mając pasmo f = 10 khz można nadawć symbole o szerokości 5 µs tak szybka transmisja jest nie możliwa, bo wystąpi interferencja międzysymbolowa
Specyfika propagacji HF - interferencje międzysymbolowe jonosfera brak odbioru HF Opóźnienia rzędu 1-5ms t p +τ 1 1 0 0 1 t P 1 0 1 1 t p + τ 2
Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (1) nadaje się na 207 nośnych rozmieszczonych równomiernie w kanale 10 khz (2) stosuje się w tym celu rozmieszczenie nośnych zgodnie z koncepcją OFDM (3) na każdej nośnej nadaje się informację powoli - wielodrogowość jest nie istotna (4) aby upakować dodatkowo informacje stosuje się wielowartościowy AM (16 lub 64) (5) aby poprawić BER stosuje się skalowanie kanału i demodulacją koherentną (6) na wszystkich nośnych stosowany kod korekcji błędów (FEC)
Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (1) nadaje się na 207 nośnych rozmieszczonych równomiernie w kanale 10 khz 207 nośnych 9.703 khz 46.875 Hz (1/T u ) 0-103 -1 1 103
Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (2) stosuje się w tym celu rozmieszczenie nośnych zgodnie z koncepcją OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) f nośne są rozmieszczone w sposób zapewniający ortogonalność w zadanym czasie
Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (3) na każdej nośnej nadaje się informację powoli - wielogrogowość jest nie istotna Parametr A B C D czas trwania ramki T f czas trwania symbolu T s czas trwania użytecznej części symbolu OFDM T u okres ochronny T g. Tryb odporności transmisji A B C D 26.67 ms 24 ms (288*T) 2.67 ms (32*T) 26.67 ms 21.33 ms (256*T) 5.33 ms (64*T) 400 ms 20 ms 14.67 ms (176*T) 5.33 ms (64*T) 18.7 1/91/s 1/4 4/11 30 11/14 1/s 14.6 kbps 11.5 kbps Typowe warunki propagacyjne 21.0 kbp 16.6 kbps Kanał Gaussowski ze słabymi zanikami Podobne do trybu B ale z silniejszym rozmyciem częstotliwości (efekt Dopplera) Podobnie jak tryb B ale z silnymi opóźnieniami i dużymi częstotliwościami Dopplerowskimi 16.67 ms 9.33 ms (112*T) 7.33 ms (88*T) 7.6 kbps 11.0 kbps Kanał niestacjonarny, selektywny czasowo i częstotliwościowo z dłuższymi przedziałami opóźnień
Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (4) aby upakować dodatkowo informacje stosuje się AM wielowartościowy (4, 16 lub 64) q 0 q 0 q 1 0 00 10 1 01 11 i 0 1 0 i 0 1 i 1 1 0 1 1 0 0 0 Konstelacja 4 QAM Konstelacja 16 QAM
Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (4) aby upakować dodatkowo informacje stosuje się AM wielowartościowy (4, 16 lub 64) q 0 q 1 q 2 000 100... 011 111 i 0 i 1 i 2 1 1 1 0 1 1... 1 0 0 0 0 0 Konstelacja 64 QAM
Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (5) aby poprawić BER stosuje się skalowanie kanału i demodulacją koherentną pewna ilość nośnych jest transmitowana z znaną amplitudą i fazą umożliwiając ocenę parametrów kanału radiowego, synchronizację odbiornika i demodulację koherentną sygnału 3 nośne referencyjne częstotliwości: 750 Hz, 2250 Hz i 3000 Hz od środka co 6 nośna do kalibracji charakterystyki amplitudowej kanału f cele referencyjne częstotliwości x cele kanału FAC 0 cele referencyjne wzmocnienia dla nośnych położonych między DC a 4,5 khz w trybie B.
Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM - podsumowanie wymagane pasmo kanału radiowego: 4.5 khz - 20 khz przewidziane przepływności: 6 kbps - 70 kbps typowo: MW 9kHz, 26 kbps; HF 10 khz, 17 kbps odległość nośnych: 41.67 Hz - 107.14 Hz czas ochronny: 2.67 ms - 7.33 ms użyteczna część symbolu 24 ms - 9.33 ms modulacje na nośnych 4QAM, 16QAM lub 64QAM demodulacja koherentna
Przykładowe możliwości nadawania w paśmie HF (tryb B) 21 kbit/s program radiowy z audio wysokiej jakości 4 kbit/s 17 kbit/s dodatkowy kanał transmisji danych 4 kbit/s program radiowy z dobrej jakości audio 17 kbit/s audio HVXC 2 kbit/s silnie zabezpieczone przed błędami dobrej jakości audio w miejscach dobrego odbioru
Informacje o jonosferze dostępne w odbiorniku - funkcja transferu
Informacje dostępne w odbiorniku - funkcja odpowiedzi impulsowej
Informacje dostępne w odbiorniku
Informacje dostępne w odbiorniku
Informacje dostępne w odbiorniku
DRM - informacje dostępne KONIEC - podsumowanie co 400 ms są dostępne: (1) różnice opóźnień grupowych sygnału (rozdzielczość 0.1 ms) (2) przesunięcia dopplerowskie nośnych referencyjnych (10-7 ) (3) pomiar tłumienia trasy (po wyskalowaniu układu antena - odbiornik, 0.1 db) po uzupełnieniu standardu DRM możliwy: (4) pomiar opóźnień grupowych (w oparciu o czas GPS)
Test DRM - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału model ray tracing - J. Młynarczyk 2002 Młynarczyk J., Caratori J., Nowak S., HF Pro: Program do symulacji propagacji fal radiowych w paśmie HF, X Krajowe Sympozjum Nauk Radiowych URSI 2002, Poznań, marzec 2002. Młynarczyk J., Kułak A., KKRRiT Poznań, marzec 2006. parametry DRM Open-Source Software Implementation of a DRM-Receiver, http://drm.sourceforge.net/ stacje testowe trasa Wertachtal - Kraków 7265 khz / 720 km trasa Sines - Kraków 17 700 khz / 2640 km jonosondy pionowe: DPS-4 Pruhonice Rzym zlokalizowane w punkcie odbicia
Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału stacja Wertachtal
Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Wertachtal - Kraków 720 km w środku: Pruhonice 9 marca 2006, godz. 10:59 UT 9 marca 2006, godz. 11:00 UT
Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Wertachtal - Kraków stan jonosfery w punkcie odbicia (sonda Pruhonice)
Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Wertachtal-Kraków łączność możliwa dla czterech kątów elewacji: 13,9 stopnia (dla fali nadzwyczajnej 13.8) 23,7 stopnia (dla fali nadzwyczajnej 23.5) 31,6 stopnia 50,1 stopnia są to odpowiednio promienie dolne warstw E, F1 i F2 oraz promień górny warstwy F2, który jak można się spodziewać będzie miał małą amplitudę.
Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Wertachtal-Kraków łączność możliwa dla czterech kątów elewacji: 13,9 stopnia (dla fali nadzwyczajnej 13.8) 23,7 stopnia (dla fali nadzwyczajnej 23.5) 31,6 stopnia 50,1 stopnia trajektorie
Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Wertachtal-Kraków jonogram ukośny zrekonstruowany na podstawie modelu opóźnienia sygnału wynoszą: 2,5 ms dla trybu 1E1 2,7 ms, dla trybu 1F1 2,9 ms 3,7 ms dla trybu 1F2 3,7 ms 1 2 3 4
Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału stacja Sines - Portugalia
Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Sines - Kraków 2640 km w środku: Rzym trajektorie
Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Sines - Kraków jonogram ukośny zrekonstruowany na podstawie modelu opóźnienia sygnału wynoszą: 9.0 ms dla trybu 1F1 9.1 ms, dla trybu 1F2
Rozwiązanie odwrotne - możliwości KONIEC wykorzystania DRM dane z DRM różnice opóźnień grupowych sygnału (rozdzielczość 0.1 ms) przesunięcia dopplerowskie nośnych referencyjnych (10-7 ) pomiar tłumienia trasy (po wyskalowaniu dokładność 0.21 db) pomiary dla różnych częstotliwości (150 khz - 26 MHz ) gruby model (usunięcie niejednoznaczności) jonogram ukośny rozwiązanie odwrotne model jonosfery w punkcie odbicia (połowa trasy)
Wykorzystanie DRM - organizacja KONIEC systemu zbierania danych automatyczne odbiorniki wielokanałowe - śledzenie kilkudziesięciu stacji sieć odbiorników w wielu ośrodkach naukowych na świecie centrala przetwarzania danych mapa dynamiczna jonosfery na dużych obszarach Ziemi
Wykorzystanie DRM KONIEC - dostępne stacje marzec 2007 - ok. 120 stacji TX na wszystkich kontynentach