Méthode de prévision ionosphérique
Trajets de l'onde ionosphérique
METHODE DE PREVISION IONOSPHERIQUE
Une liaison utilisant la voie ionosphérique ne peut être exploitée que dans une certaine bande de fréquence. Il existe une limite supérieure de fréquence, imposée par la réfraction ionosphérique, au-dessus de laquelle la liaison n’est plus possible. Cette limite supérieure a été dénommée MUF (‘Maximal Usable Frequency’). De même, la nécessité de disposer d’un champ suffisant à la réception ou un affaiblissement maximum tolérable fixe une fréquence limite inférieure dénommée LUF (‘Lowest Usable Frequency’). Entre ces deux bornes, les fréquences intermédiaires permettent d’établir la liaison radioélectrique.
La méthode de prévision à long terme décrite dans la présente note est fondée sur une combinaison de relations empiriques déduites de mesures expérimentales ou de développements théoriques. Le principe du calcul est d’ajuster un certain nombre de trajets possibles en fonction des conditions d’ionisation. Ces dernières sont valables pour un mois donné et tabulées par un indice d’activité solaire. On suppose que les différentes ondes se propagent suivant le grand cercle passant par l’émetteur et le récepteur. L’algorithme d’établissement des prévisions pour une liaison donnée est le suivant :
- positionnement des paramètres externes (mois, année, heure, indice solaire),
- détermination du profil vertical d’ionisation 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 d’affaiblissement maximal tolérable sur le trajet ou d’un rapport S/B minimal à la réception,
- calcul de la fiabilité sur des fréquences particulières ou sur un plan de fréquences.
L’ionosphère est la région ionisée de la haute atmosphère qui s’étend de 50 à 2000 km environ au dessus de la surface de la Terre. La principale source de cette ionisation est le rayonnement ultraviolet et X en provenance du Soleil. Le rayonnement corpusculaire intervient plus ponctuellement et plus localement dans la production d’électrons. Les processus d’ionisation sont contrebalancés par des processus de pertes électronique à travers la recombinaison ou l’attachement à des molécules neutres, ainsi que des mouvements horizontaux et verticaux de cette ionisation. La concentration électronique résulte d’un équilibre entre ces processus. Elle se présente sous forme de régions stratifiées verticalement , encore appelées couches ionosphériques, que l’on désigne par les lettres D, E et F par ordre croissant d’altitude (Figure 1).
Figure 1 : Distribution de l’ionisation en fonction de l’altitude
La région D est située entre 50 et 90 km d’altitude. Elle est très peu ionisée avec un maximum au midi local et des valeurs négligeables la nuit. La fréquence de collisions avec les atomes et les molécules neutres est importante, aussi cette région provoque l’atténuation des ondes décamétriques lors de la traversée.
La région E est située entre 90 et 130 km d’altitude. L’ionisation de cette couche dépend également à la position du Soleil et présente une ionisation résiduelle la nuit. La densité maximale à midi est de 10 à 25.104 el/cm3.
Des variations plus irrégulières peuvent être présentes à l’intérieur de cette région et prennent le nom de couches Es (E sporadiques). Selon leur origine, elles se présentent sous forme de bulles d’ionisation de taille et densité très variables ou d’une fine couche d’étendue spatiale plus ou moins grande pouvant occulter l’ionisation supérieure.
La région F se situe au dessus de 130 km. Elle peut se subdiviser en deux couches appelées F1 et F2. La couche F1, située entre 130 et 210 km d’altitude, présente une ionisation diurne liée à la position du Soleil. La couche F2 est la plus externe et la plus ionisée de l’ionosphère avec une densité comprise entre 10 et 400.104 el/cm3. La densité est croissante jusqu'à une certaine altitude appelée hauteur du maximum d’ionisation, située vers 300 km de jour et 450 km la nuit. Au delà de cette limite, la densité décroît d’une façon régulière. La variation diurne du maximum de densité est plus irrégulière que pour les autres régions du fait des interactions avec le milieu extérieur (la magnétosphère).
L’ACTIVITE SOLAIRELe nombre de taches solaires permet de caractériser le niveau de l’activité solaire. La valeur mensuelle Rm est la médiane calculée par l’observatoire de Bruxelles, à partir de l’ensemble des valeurs journalières observées. Ce nombre fluctue considérablement d’un mois sur l’autre, aussi est-il calculé une moyenne glissante sur plusieurs mois. Deux indices sont disponibles régulièrement :
- l’indice R12, moyenne glissante sur 12 mois, utilisé dans les logiciels de prévisions américains,
- l’indice IR5, moyenne glissante sur 5 mois de Rm, distribué par le CNET et calculé par la relation :
Cet indice est celui utilisé pour le paramétrage du logiciel de prévisions ionosphériques. La variation de cet indice définit les caractéristiques du cycle solaire (dates du minimum et du maximum, valeur du maximum, longueur du cycle). Le graphe du dernier cycle (22°) et l’amorce du 23ème cycle en cours sont reportés sur la figure 2.
Figure 2 : Variations de l’indice d’activité solaire IR5
PARAMETRES MEDIANS MENSUELS DU PROFIL IONOSPHERIQUE
A partir d’un sondage vertical de l’ionosphère on obtient un ionogramme sur lequel on peut identifier les paramètres caractéristiques du profil ionosphérique, notamment :
- la fréquence critique foE de la couche E (fréquence plasma qui correspond à la densité maximale),
- la fréquence critique foF2 de la couche F2,
- la hauteur virtuelle h’F2 de la base de la couche F2,
- le facteur M(3000)F2 qui correspond au rapport de la MUF (3000 km) par la couche F2 et de la fréquence critique foF2.
Ces 4 paramètres sont mesurés en routine par des ionosondes, à rythme quadrihoraire, en un grand nombre de points sur la Terre. Des médianes mensuelles et des courbes de distribution sont calculées à partir de ces mesures. Une modélisation temporelle à l’aide d’une série de Fourier, et spatiale à l’aide de fonctions en harmoniques sphériques a permis d’établir des jeux de coefficients couvrant plusieurs niveaux d’activité solaire. Actuellement, on dispose de 2 séries de jeux établit en 1966 et 1983 permettant de modéliser les paramètres ionosphériques sur une couverture mondiale.
MODELE DU PROFIL VERTICAL DE DENSITE ELECTRONIQUELe modèle retenu de profil vertical de densité électronique se décompose en trois parties :
- une couche E parabolique (foE, hmE, ymE),
- une couche F2 parabolique (foF2, hmF2, ymF2),
- Un profil linéaire de raccordement entre les couches E et F2.
Les valeurs des paramètres cités sont obtenus à partir des modèles précédents et de formules mathématiques.
TRAJETS DE L’ONDE IONOSPHERIQUE
Figure 3 : Différents modes de propagation ionosphérique
Lorsqu’une onde radioélectrique est émise vers l’ionosphère, elle se propage de façon rectiligne dans l’atmosphère neutre et commence à s’incurver au fur et à mesure qu’elle pénètre le milieu ionisé sous l’action de la réfraction. Il y a réflexion à l’altitude où la fréquence plasma du milieu est égale à la fréquence verticale équivalente de l’onde et le rayon retourne vers le sol. On obtient donc une liaison entre 2 points séparés de la distance de saut. Le mécanisme peut se répéter sous la forme de n bonds, avec n variant entre 1 et 7 dans notre modélisation. Si la densité du milieu ionosphérique est trop faible, le rayon traverse l’ionosphère et se perd dans l’espace. La réflexion des rayons peut être modélisée sous forme de triangles isocèles où la hauteur de réflexion est la hauteur virtuelle et non plus sa hauteur réelle. La réflexion peut se produire sur l’une des deux couches E et F2 du profil d’ionisation. Des combinaisons intermédiaires encore appelés modes mixtes peuvent intervenir. La figure 3 schématise les différentes options possibles.
Il est défini 23 modes de propagation possibles, chacun d’eux ayant ses limites de validité en distance (figure 4), ce qui permet de gagner en rapidité dans l’exploration des chemins possibles sur une liaison donnée.
Figure 4 : Différents types de trajets analysés
La limite supérieure des fréquences propagées sur un chemin donné est égale au produit de la fréquence critique de la couche considérée par un facteur géométrique fonction uniquement de la longueur du bond. La MUF de référence est la fréquence la plus élevée sur les différents trajets retenus permettant la réflexion.
AFFAIBLISSEMENTS GAIN DES ANTENNES E/R
Il est possible de choisir une antenne à l’émission et à la réception dont le diagramme est donné soit analytiquement soit point par point. Si l’antenne est directive, il est demandé de donner son orientation.
AFFAIBLISSEMENT SPATIALL’affaiblissement spatial est dû à la dispersion du flux émis sur une aire qui augmente lorsqu’on s’éloigne de l’émetteur.
L’affaiblissement de puissance est inversement proportionnel au carré de la longueur totale du trajet de l’onde.
ABSORPTION IONOSPHERIQUELes pertes ionosphériques sont la conséquence des collisions entre les électrons et les molécules neutres rencontrées. Elle est importante dans la région D où elle porte le nom d’absorption ‘non déviative’. Elle est plus faible dans la zone réfractée (‘absorption déviative’). Le calcul est effectué à l’aide de formules analytiques dont les coefficients ont été ajustés à partir de mesures expérimentales sur des liaisons tests. L’absorption est inversement proportionnelle au carré de la fréquence de l’onde émise.
Dans les régions aurorales (latitudes élevées) , on prend en compte une atténuation supplémentaire due à la précipitation d’électrons et de particules depuis la magnétosphère. Elle est modélisée conformément aux recommandations de l’UIT-R.
PERTES AU SOLDans une propagation à plusieurs bonds, il faut tenir compte des pertes par réflexion sur le sol. Une carte numérique donne la nature du sol (mer, terre, glace) ainsi que les zones de transition.
Les affaiblissements sont ainsi calculés par des formules approchées.
BRUIT RADIOELECTRIQUE
Les performances d’un système radioélectrique, en l’absence d’autres signaux brouilleurs, sont très souvent limitées par le bruit radioélectrique d’origine naturelle ou artificielle. Ces bruits sont classés en trois catégories : le bruit atmosphérique, le bruit galactique et le bruit artificiel. Pour évaluer leurs intensités, on a utilisé les renseignements fournis par l’UIT-R.
Le bruit atmosphérique est modélisé à partir de cartes mondiales numériques des valeurs médianes sur la fréquence de 1 MHz. Les variations en fonction de la fréquence et la statistique des différentes probabilités sont également fournies sous forme de courbes analytiques.
Concernant le bruit artificiel, quatre catégories de milieux (quartiers des affaires, quartiers résidentiels, zones rurales et zones rurales calmes) sont offertes au choix de l’utilisateur.
Le bruit total est la sommation quadratique des bruits individuels.
DETERMINATION DE LA LUF
Le calcul de la fréquence minimale utilisable repose sur deux critères différents selon le choix de l’utilisateur. Dans le premier cas, il est fixé par une atténuation maximale donnée ; dans le second cas, par un rapport signal/bruit minimum requis (en prenant en compte les antennes E/R). La LUF est la plus petite des limites inférieures des fréquences réfléchies par les différents modes retenus.
FIABILITELa fiabilité de réception est la probabilité, pour une liaison donnée, qu’une qualité de fonctionnement spécifiée soit atteinte, en tenant compte de toutes les fréquences émises.
Actuellement, le critère de qualité retenu est donné par le rapport signal/bruit requis pour le mode de propagation dominant.
Voir aussi : Introduction
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