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PROPAGATION VLF/LF/HF

PROPAGATION VLF/LF/HF. Rolland FLEURY Télécom Bretagne 2014. Spectre radioélectrique. Bandes VLF-LF-MF-HF. page 1. page 1. Règlement des radiocommunications - normalisation. Union Internationale des Télécommunications (UIT/ITU), site http://www.itu.int. SOMMAIRE.

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

  2. Spectre radioélectrique • Bandes VLF-LF-MF-HF page 1 page 1 Télécom Bretagne/Dépt . MO

  3. Règlement des radiocommunications - normalisation • Union Internationale des Télécommunications (UIT/ITU), site http://www.itu.int

  4. SOMMAIRE Météorologie de l’espace (‘Space Weather’) Propagation VLF/LF Propagation HF Bruit atmosphérique Logiciel de prévisions Bibliographie page 3 page 3 page 3 page 3 page 3 page 3 page 3 Télécom Bretagne/Dépt . MO

  5. Météorologie de l’espace L’atmosphère terrestre > 600 km EXOSPHERE Collisions peu fréquentesParticules en orbites balistiques 80-600 km THERMOSPHERE Ionisation par le rayonnement solaire X-EUV IONOSPHERE 30-80 km MESOSPHERE Absorption des rayons solaires UV par l’ozone 11-30 km STRATOSPHERE Turbulence 0-11 km TROPOSPHERE Phénomènes météorologiques page 4 page 4 page 4 page 4 Télécom Bretagne/Dépt . MO

  6. Météorologie de l’espace • Propagation VLF/HF : milieux concernés : ionosphère + surface du sol • Ionosphère= plasma électriquement neutre • particules neutres (n2,o2,o) • particules chargées (ions +, électrons) • Densité électronique Ne: nb d’électrons par unité de volume • Équation de continuité Ne : traduit l’équilibre entre la production, la recombinaison, les mouvements • Production par le rayonnement UV et RX émis par le Soleil (ex O2) • Profil de densité électronique sous forme de régions stratifiées verticalement (couches ionosphériques) : D, E, F entre 80 et 800 km) Télécom Bretagne/Dépt . MO

  7. Météorologie de l’espace Distribution de l’ionisation en fonction de l’altitude page 6 page 6 page 6 Télécom Bretagne/Dépt . MO

  8. Météorologie de l’espace • L’activité solaire • Tâches solaires • Indice et cycles solaire page 7 page 7 page 7 page 7 page 7 page 7 page 7 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  9. Météorologie de l’espace • Chaine du processus page 8 page 8 page 8 page 8 page 8 page 8 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  10. Météorologie de l’espace • Activité solaire : protubérances et éruptions page 9 page 9 page 9 page 9 page 9 page 9 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  11. Météorologie de l’espace • Relations Soleil-Terre page 10 page 10 page 10 page 10 page 10 page 10 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  12. Météorologie de l’espace • Perturbation du champ magnétique et zones en latitude magnétique page 11 page 11 page 11 page 11 page 11 page 11 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  13. Météorologie de l’espace • Aurores boréales page 12 page 12 page 12 page 12 page 12 page 12 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  14. Météorologie de l’espace • Perturbation de l’ionosphère : Evolution horaire de la foF2 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  15. SOMMAIRE Météorologie de l’espace Propagation VLF/LF Propagation HF Bruit atmosphérique Logiciel de prévisions Bibliographie page 14 page 14 page 14 page 14 page 14 page 14 page 14 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  16. Propagation VLF/LF Fréquences basses : 3-70 KHz Grandes longueurs d’onde (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 (5000-20000 km) Pénétration dans l’eau de mer (atténuation : qq dB/m) Antennes de grande dimension Emetteurs puissants (~100 kW) Application : liaisons marines et sous-marins page 15 page 15 page 15 page 15 page 15 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  17. Propagation VLF/LF Méthode des bonds Pt puissance rayonnée (kW) L longueur du trajet dans l’ionosphère (km) IIRII coefficient de réflexion ionosphérique D facteur de focalisation ionosphérique Ft facteur d’antenne d’émission Ψ angle au sol entre la direction de l’onde et l’horizontale 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) page 16 page 16 page 16 page 16 page 16 Télécom Bretagne/Dépt. MO

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

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

  20. Propagation VLF/LF Méthode des modes 1 mode = 1 état résonant du guide =1 valeur discrète d’angle d’incidence sur l’ionosphère Objectif : trouver les angles complexes solution de l’équation modale d= altitude initiale De d vers l’ionosphère De d vers le sol // plan parallèle au plan d’incidence ┴ plan perpendiculaire au plan d’incidence Rd traduit un coefficient de réflexion : Rd=champ réfléchi / champ incident iRr avec i=onde incidente , r=onde réfléchie Méthodes numériques très complexes page 19 page 19 page 19 page 19 page 19 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  21. Propagation VLF/LF Méthode des modes : Paramètres de la solution angle θ, type de mode, taux d’affaiblissement (dB/km), vitesse de phase, amplitude et phase du facteur d’excitation 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 page 20 page 20 page 20 page 20 page 20 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  22. Propagation VLF/LF Entrées du logiciel Émetteur : position, puissance, hauteur antenne Récepteur : position, altitude antenne Ionosphère : conductivité fp 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 page 21 page 21 page 21 page 21 page 21 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  23. Propagation VLF/LF Entrées du logiciel (suite) Champ magnétique : IGRF (coefficients actualisés tous les 5 ans) Type de sol : coefficients d’une cartographie sommaire, mondiale Bruit atmosphérique : modèle UIT-R P322-3 (utilisé également en HF) page 22 page 22 page 22 page 22 page 22 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  24. Propagation VLF/LF Profils ionosphériques ‘standards’ page 23 page 23 page 23 page 23 page 23 Télécom Bretagne/Dépt. MO

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

  26. 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) page 25 page 25 page 25 page 25 page 25 Télécom Bretagne/Dépt. MO

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

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

  29. Propagation VLF/LF Mesures VLF(réf: http://sidstation.loudet.org/) page 28 page 28 page 28 page 28 Télécom Bretagne/Dépt. MO

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

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

  32. SOMMAIRE Météorologie de l’espace Propagation VLF/LF Propagation HF Bruit atmosphérique Logiciel de prévisions Bibliographie page 31 page 31 page 31 page 31 page 31 page 31 page 31 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  33. Propagation des ondes dans l’ionosphère Propagation d’une 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 l’onde (H ou B) page 32 page 32 page 32 page 32 page 32 page 32 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  34. Propagation des ondes dans l’ionosphère 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 l’axe 0z Pulsation Vecteur d’onde (vecteur de propagation) Vitesse de phase Indice de réfraction page 33 page 33 page 33 page 33 page 33 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  35. Propagation des ondes dans l’ionosphère Oscillations de plasma Electrons séparés d’un 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 relaxation Fréquence plasma  = Nex x – – – –– – – – – – – – – – + + + + + + + + + + + + + + + + O  = -Nex page 34 page 34 page 34 page 34 page 34 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  36. Propagation des ondes dans l’ionosphère Equivalence densité électronique/fréquence plasma page 35 page 35 page 35 page 35 Télécom Bretagne/Dépt . MO

  37. Propagation des ondes dans l’ionosphère Gyrofréquence Mouvement d’une particule chargée dans le champ géomagnétique Bo (force de Lorentz = force centrifuge) avecGyrofréquence (électrons): fH(Mhz)≈2.8 Bo (G) Rayon de Larmor rH Gyrofréquence fH Électrons 2 cm 1,2 MHz Ions O+ 4 m 50 Hz page 36 page 36 page 36 page 36 page 36 Télécom Bretagne/Dépt. MO

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

  39. Propagation des ondes dans l’ionosphère identification à un milieu diélectrique de permittivité  : Indice de réfraction : Remarque 1 : n=n(f) : l'ionosphère est un milieudispersif en fréquence Remarque 2 : n < 1 [1- quantité]  v [=c/n] > c page 38 page 38 page 38 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  40. Influence de l'ionosphère sur la propagation • Indice de groupe Vitesse de groupe Indice de groupe indice de groupe = inverse de l’indice de réfraction page 39 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  41. Propagation des ondes dans l’ionosphère Théorie complète On pose θ angle entre k et Bo Résultat: formule d’Appleton-Hartree 2 ondes caractéristiques (modes normaux) Mode o « ordinaire » indépendant de Y η=0  n=no Mode x « extraordinaire » fonction de Y η= -1  n=nx η= +1 (mode Z) IMPORTANT :0 ≤ (no, nx)≤ 1 page 40 page 40 page 40 page 40 page 40 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  42. Propagation longitudinale : YT=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 : Propagation des ondes dans l’ionosphère y x z y y X X  z x x O O z page 41 page 41 page 41 page 41 page 41 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  43. Propagation des ondes dans l’ionosphère 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 réflexionhr : d'où 0 hr page 42 page 42 page 42 page 42 page 42 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  44. Propagation des ondes dans l’ionosphère Propagation verticale : 0 = 0° Réflexion du mode O (X=1) Réflexion du mode X (X=1±Y) hro hrx page 43 page 43 page 43 page 43 page 43 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  45. Propagation des ondes dans l’ionosphère Fréquences critiques Soit la fréquence plasma à l'altitude hmax du maximum d'ionisation de la couche. Réflexion du mode O à l'altitude hmax à la fréquencecritique fo : Réflexion du mode X à l'altitude hmax à la fréquence critiquefx: Pour f > fréquence critique, le rayon traverse l’ionosphère page 44 page 44 page 44 page 44 page 44 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  46. Sondeurs ionosphériques Question : Pourquoi h’ et pas h ? Propagation des ondes HF dans l’ionosphère O Amplitude X E X O t 0 f f page 45 page 45 page 45 page 45 page 45 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  47. Propagation des ondes HF dans l’ionosphère h’ (km) 8.9 9.4 O X f (MHz) La Réunion : fH/2 = 0.5 MHz page 46 page 46 page 46 page 46 page 46 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  48. Propagation des ondes HF dans l’ionosphère 1.67 2.37 4.89 5.59 Poitiers : fH/2 0.7 MHz page 47 page 47 page 47 page 47 page 47 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  49. Propagation des ondes HF dans l’ionosphère Loi de la sécante Rayon oblique à la fréquence fobl A l'altitude de réflexion hr , on a : d'où : Soit un rayon vertical de fréquence fver, réfléchi à la même altitudehr . A la réflexion :  Les fréquences des ondes réfléchies à une même altitude hr sont liées par : fobl hr 0 fver E R E/R (la sécante est l’inverse du cosinus) page 48 page 48 page 48 page 48 page 48 Télécom Bretagne/Dépt. MO

  50. Propagation des ondes HF dans l’ionosphère Théorème de Breit et Tuve Hypothèses : Ionosphère uniforme (pas de gradients horizontaux) Terre plate B0= 0 Le chemin de groupe oblique P’ est égal à la distance EH'R H' 0 E R x D page 49 page 49 page 49 page 49 page 49 Télécom Bretagne/Dépt. MO

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