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Sondeo pasivo ionosférico - El proyecto G3PLX

Principio de funcionamiento

La meta de este proyecto es explorar el uso de las emisiones de sondeo ionosférico publicamente disponibles (ionosondas), para estudiar la ionósfera. Estas emisiones originan de todas partes del mundo, y cubren el espectro de 3 a 30 MHz, las 24 horas. El aspecto único del proyecto es que es completamente pasivo - utiliza las emisiones realizadas por otras agencias. Eso significa que todos pueden participar en la recepción y la interpretación de las emisiones.

Las transmisiones utilizadas por este proyecto son de sondas que transmiten un barrido continuo, nominalmente de 0 a 30 MHz, con una velocidad constante de 100 kHz/segundo. La mayoría de estas estaciones son comerciales o de investigación para sondeo vertical o oblicuo. Algunos son probablemente estaciones militares con fines similares.

Tome nota que existe un número de frecuencias que regularmente se 'saltan' en los barridos, para evitar interferencias con servicios esenciales.

Una vez entendida la capacidad de esta técnica de sondeo pasiva, y por supuesto si los resultados del experimento se comprueben como útil y alcanzable, puede ser posible de desarrollar un sistema que permitirá a cualquiera que esté interesado en la propagación de HF, de estudiarlo en tiempo real, con un mínimo de equipamento y de gasto - por ejemplo, con el uso de solamente una PC y una tarjeta de sonido. Preferiblemente, una sonda de referencia podría ser utilizada para la calibración de la recepción de las otras, evitando así la necesidad de una referencia de tiempo de alta precisión costosa.

En el proyecto se prevén unas tres fases:

1. Explorar si es posible de detectar, medir y ubicar emisiones de emisiones de ionosondas en forma pasiva. Para definir un método para instalar y sincronizar padrones de tiempo en ubicaciones múltiples

2. Estudiar las emisiones en detalle, aprender de sus hábitos para determinar que información útil puede ser obtenida, y para determinar cuales sondas resulten útiles.

3. Intentar de medir y deducir los mecanismos de propagación por diferentes camino - onda terrestre, capas E, F, F1/F2, camino largo, salto múltiple y scatter (reflejos), por ejemplo. Quizás eventualmente desarrollar software para PC simple, de tal forma que cualquiera puede utilizar esta técnica.

Fase I

La Fase 1 de este proyecto fue realizada en la segunda mitad del año 1999, y comprobó que es posible de recibir y medir con precisión las emisiones de sondeo en una forma pasiva. La evaluación de los resultados indicón unas cuantas áreas para mejorar significativamente. Durante este período, fue posible ubicar y sincronizar relojes en ambos extremos de la tierra, y de medir los tiempos de llegada de las señales con una precisión de ± 1 ms. El proyecto se concentrón en las sondas con períodos de 5 y 15 minutos.

Varias emisiones de sondeo fueron identificados y sus ubicaciones descubiertas por triangulación hiperbólica (medición del momento de arribo de las señales en diferentes lugares, y graficar líneas de igual retardo). Se mejoró el seguimiento de las sondas de diferente período, la resolución y la configuración. La sincronización y la calibración del sistema fueron identificados como áreas de mejora mas importante.

Cuatro estaciones participaron en la fase 1 - una en UK, otra en Nueva Zelanda, una en cada una de las Américas. Tres de ellos estaban equipados para medición de tiempos de alta precisión. En muchos casos, las estaciones fueron capaz de recibir las mismas señales, posibilitando así la medición de distancias. Se identificaron señales por camino corto y camino largo, por sus tiempos, y en algunos casos fue posible de identificar las emisiones por temporización, a veces recibiéndolos simultaneamente por ambos caminos. En algunos casos se detectaron señales que dieron la vuelta de la tierra dos veces.


Transmisión de Cyprus, recibida en Nueva Zelanda,
mostrando camino largo (izq) y corto (derecha).
Escala vertical en milisegundos.

Fase II

El proyecto se encuentra actualmente bien en la Fase II, con nuevos programas y tolerancias de hardware mas restringentes. Durante esta fase, mediciones se realizan con una resolción de ±0.125 us, utilizando sondas con períodos variando de 5 a 30 minutos. Referencias GPS para tiempo de alta precisión proveen precisión de ± 1us, y un sincronismo similar entre sitios.

Mejor análisis de datos permite mediciones de retardo mas precisas, permitiendo la identificación de caminos individuales de propagación. En este momento, 5 estaciones están equipados para sondeo de Fase II, aunque se espera que algunas estaciones se junten al proyecto, en ubicaciones mas diversas. Con observadores dispersos de esta forma, se lograrían mediciones mas precisas de las emisoras, y resultarían mas probables las oportunidades de recepción múltiple. Esto es particularmente importante para las sondas mas dificiles, las cuales lentamente derivan en tiempo, o hacen saltos en momento de emisión, o únicamente pueden ser observados en algunos sitios, o tiempos. Un ejercito de 'observadores de chirps' podría ayudar en resolver estos problemas.

Principio de operación

Con referencias de tiempo suficientemente precisas, o utilizando la misma referencia en el transmisor y el receptor, es posible de medir el tiempo que toma una señal de radio para viajar de un sitio a otro. Con la velocidad de alrededor de 300000 km/s (3 x 108m.s-1), una señal de radio puede viajar alrededor del mundo en unos 138 ms.

Si el transmisor y receptor están en lugares fijos, uno esperaría que estos retardos sean constantes. Sin embargo, no lo son, y es justamente sobre este principio que se basa este proyecto. El tiempo medido depende de cual fue el camino alrededor de la tierra tomada, cuantas veces rebotó en la ionósfera y la tierra, y cuales fueron las capas ionosféricas utilizadas.


Ionograma de una sonde en UK mostrando la onda terrestre
(línea recta) y las ondas espaciales. La distancia cubierta es de 50 km.

La mayoría de las mediciones de sondeo ionosféricos son o verticales o oblicuas, i.e. o la emisora y la receptora estan obicadas en el mismo sitio o separados por hasta unos miles de km. Este proyecto extrema sondeo oblicuo al máximo - el receptor puede estar en cualquier sitio en el mundo. Esto impone exigencias extremas en la estabilidad del receptor, y particularmente en la referencia de tiempo utilizada.

La imagen arriba merece una explicación. Este gráfica se llama 'cascada', un tipo de ionograma donde ambos ejes representan tiempo - horizontalmente la hora en horas UTC (La hora del día), y verticalmente, en milisegundos, el tiempo de retardo desde algún punto de referencia. Ya que no es práctico representar períodos largos con alta precisión verticalmente, el rango vertical se limitó a ± 40ms (fase I) y 0 a 150 ms (fase II).

La intensidad de la señal se representa por la intensidad del 'color' del gráfico - blanco es falta de señal, negro corresponde a la intensidad máxima medida (63.5 dB). Cada variación de las 256 tonalidades de grises representa una variación de 0.25 dB. Supongamos que configuramos una cascada para un período de 300 segundos, y un momento de emisión de 18s. Un gráfico fase II, graficará una línea vertical cada 300s, y el rango mostrado será cada vez de 18.0 a 18.15 segundos. No se intenta de interpretar el resultado por programa - el ojo es mucho mas habil para eso!

En contraste a la mayoría de los otros ejemplo, el último ejemplo muestra una línea constante horizontal - resultó así porque la emisora está dentro del rango para que la onda terresre llegue en forma directa.

Durante gran parte del día, fue la única señal recibida; sin embargo, entre las 0600 y las 2100 UTC, líneas débiles aparecen, con retardos que primero disminuyen y luego vuelven a incrementar. Estas resultaron algunas reflecciones en otra parte del mundo, y las señales vuelven al receptor. Al achicarse la zona de skip, el retardo disminuye. De repente, la señal se hace muy fuerte y con un tiempo estable entre las 1200 y 1900 UTC. Esta es la reflección en la capa F que ocurre durante el día, donde la señal es reflejada en la ionósfera y recibida directamente por el observador. El tiempo medido es directamente proporcional a la altura de la capa. Si observa atentamente, puede ver que existen dos trazos separados entre las 1200 y las 1900 UTC, correspondiente a la onda terrestre y la señal reflejada en la capa F.

La parte difusa, con retardos mas grandes, es porque la reflección es algo difusa en las capas, lo que puede compararse con lo difuso de un arco iris.

Traducido por John Coppens ON6JC/LW3HAZ


Copyright Murray Greenman and Peter Martinez, 1999 - 2003 correo