Automatic Propagation Monitoring Project, (APMP)

Principer för jonosfärsondering och beskrivning av ett komplett mottagningssystem för automatisk vågutbredningsmonitorering av kommersiella och militära jonosounders i frekvensområdet 2-30 MHz samt databehandling och presentation av av datan i nära realtid.

Projektet bedrivs inom SIG1 [1] som är en Special Interest Group i Föreningen Experimenterande Svenska Radioamatörer. Automatic Propagation Monitoring Project (APMP) 

 Inledning

Jonosonden uppfanns redan 1926. På 1950- och 60-talen fanns c:a 200 jonosonder i kontinuerlig drift utspridda över hela världen. Baserat på observationer från dessa utarbetades radioprognoser för att bestämma lämpliga frekvenser för radiokommunikation. Två huvudtyper av jonosonder kan särskiljas, nämligen system för vertikal sondering och för s k snedsondering

Vertikal sondering används primärt i forskningssyften för att undersöka jonosfärens egenskaper. Det finns flera olika system med olika egenskaper. Sändare och mottagare är oftast samlokaliserade d v s belägna mycket nära varandra.

Snedsondering används i huvudsak av kommersiella och militära radioanvändare för monitorering av "radio-kanalen" mellan två avlägsna platser. Resultatet från snedsonderingen bildar underlag för radioprognoser och utgör indata för ALE-baserad radioutrustning. Sändare och mottagare kan vara belägna inom landet, i olika länder eller världsdelar. APMP bygger på att lyssna och analysera signalerna främst från denna typ av sändare avsedda för snedsondering.  

 

Vertikal jonosondering - allmänna grundprinciper 
Jonosonden i är i grunden en sorts HF-radar. Korta pulståg sänds i det närmaste rakt upp mot jonosfären. Sändareffekten kan variera från kanske 50 W upp till 10 kW eller mer, allt beroende på utrustning och vilket syfte sonderingen har. Signalerna reflekteras från höjden h och vid mottagaren mäts tidsskillnaden, Dt, mellan referenssignalen från sändaren och den reflekterade signalen via jonosfären. 

Om vi antar att signalen fortplantar sig med ljushastigheten c, och sändare och mottagare är placerade på samma plats (eller mycket nära varandra < 1 km) fås skikthöjden h ur formeln;    h = 0.5 c  Dt  

chirpintro

Figur: Schematisk beskrivning av principen för jonosfärsondering med presentation av resultatet på oscillografrör och som användes fram till att datorerna tog över på 70-talet.

Jonosonden mäter skikthöjden h vid olika frekvenser, vanligen mellan 2-30 MHz. Med ökad frekvens ökar inträngningsdhjupet i jonosfärskiktet innan signalen åter reflekteras mot marken. Den frekvens som helt tränger igenom jonosfärens E-skikt kallas den kritiska frekvensen och benämns f0E. Motsvarande kallas den kritiska frekvensen som tränger igenom F-skiktet för f0F. 

Resultatet från jonosondmätningar presenteras vanligtvis som s k jonogram där skikthöjden h, visas som funktion av frekvensen. 

chirpintro

Figur: Visar vad som kan utläsas ur ett jonogram från vertikal sondering.

Av figuren ovan framgår att för frekvenser upp till strax över 3 MHz reflekteras signalen på drygt 100 km höjd. Vid c:a 3.2 MHz bryter signalen igenom E-skiktet (f0E). Från 3.2 MHz upp till c:a 5 MHz får vi ett eko från omkring 200 km höjd, d v s från F1-skiktet. Vid c:a 5 MHz och vid höjden c:a 250 km bryter signalen igenom delar av F-skiktet. Vi får ett nytt eko upp till c:a 7.5 MHz från 400 km höjd. Vid frekvenser över 7.5 MHz erhålls inga reflektioner. Dessa signaler försvinner ut i rymden. 

Skikthöjderna h läses av vid de lägsta punkterna på respektive ekokurva, d v s innan den böjer av starkt uppåt. Ibland reflekteras signalerna en eller flera gånger mellan jonosfären och markytan. Dessa registreras som 2:a eller högre ordningens eko i jonogrammet. Sådana eko syns i figuren ovan som korta streck på dubbla höjden av 1:a ordningens eko. 

Ibland kan det komma eko i samma höjd som E-skiktet (mellan (100-150 km), men vid frekvenser mycket högre än f0E, helt upp till 30 MHz. Sådana eko kommer från s k sporadiska E-skikt (Es) som uppstår under speciella förhållanden på just dessa höjder.

Vertikal jonosfärsondering sker numera även ifrån satelliter (top side sounding) för att undersöka skikten från ovansidan. Sådana mätningar har gett många nya forskningsresultat i höjdområdet över 400 km. 

Snedsondering (eng; Oblique sounding)
Grundprinciperna för vertikal sondering gäller även för snedsondering. Geometrin för snedsondering gör emellertid analysen av resultatet mer komplicerad. Anledningen är att radiosignalen i sned vinkel snarare avböjs än reflekteras och därför är mycket känsligare för horisontella gradienter och variationer i jonosfären. Situationen blir än mer komplicerad av det faktum att radiosignalen från en sändare kan nå mottagaren via flera utbredningsvägar, (s k flervägsutbredning) och som var och en tillför olika typer av fas- och amplituddistortion och refraktionsförluster.

chirpintro

Figur: Geometrin för snedsondering med ett hopp. Höjden h betecknar virtuell höjd för en tänkt geometrisk reflektionspunkt. Den heldragna kurvan visar hur signalen i praktiken böjs av i skiktet.  

Trots den ökade komplexiteten med snedsondering erbjuder metoden stora fördelar jämfört med vertikal sondering, för att förklara och beskriva radioutbredningen mellan två punkter. Först och främst för att tekniken möjliggör att i nära realtid monitorera jonosfärens egenskaper både på otillgängliga platser och över långa avstånd. En annan fördel är att en (1) mottagarstation kan monitorera flera sändare och på så sätt samla in information mellan olika platser och kontinenter. Omvänt kan en sändare givetvis monitoreras av flera mottagare. 

Snedsondering där resultatet presenteras som högupplösta jonogram ger viktig information om de frekvensband som lämpar sig bäst för kommunikation mellan utvalda platser. Systemet används för kommersiell- och militär radiokommunikation.

chirpintro

Bilden visar ett jonogram för sträckan Boden - Eksjö. Den vertikala axeln representerar löptiden och den horisontella axeln frekvensen 2-30 MHz. Den nedersta kurvan visar första hoppet upp till c:a 14 MHz (500 KHz per linje med början vid 2 MHz). Kurvan ovanför visar 2-hoppsutbredning upp till c:a 8.5 MHz. Den kraftiga kurvan i mitten är 3-hoppsutbredning och når upp till c:a 6 MHz. Slutligen ses 4:e och 5:e hoppet som slutar vid c:a 4 MHz. 

Av diagrammet ovan kan utläsas att radiotrafik mellan Boden och Eksjö och vid en aktuella tidpunkten är möjlig från 2 MHz upp till 20 MHz. Bäst signalsyrka kan förväntas strax under 20 MHz om stationerna har tillgång till antenner med låg stråningsvinkel, och mellan 2-6 MHz om antenner med hög strålningsvinkel används.

Ett diagram som detta visar klart och tydligt vilka frekvenser som finns tillgängliga för radiokommunikation. Det framgår också att det inte är möjligt att få förbindelse mellan 20-30 MHz. Dock skall man komma ihåg att förhållandena i jonosfären ändra sig mycket snabbt.

Hur fungerar sändare- och mottagareutrustningen för snedsondering?
Den utsända radiosignalen, vanligtvis 10-50 W uteffekt kan beskrivas som ett kontinuerligt 100 kHz/s frekvenssvep (s k chirp) från 2 till 30 MHz. Mottagaren har en prestanda som en ordinär kortvågsmottagare för amatörradio eller kommersiellt bruk. 

Det finns många militära och kommersiella sändare avsedda för snedsondering som vi radioamatörer kan använda att åka "snålskjuts" på. Förutsättningen för att kunna ha nytta av dom är dock att deras geografiska position är känd och att vi känner till sändningsschemat och starttiden när frekvenssvepen börjar. Här i Sverige finns sådana sändare i Boden och Visby.

  

Presentation av prototypmottagaren i ESR:s projekt APMP
Antennsignalen 2-29.9 MHz blandas till en fast mellanfrekvens (MF) 30 MHz. Blocket "CW RX" utgörs i prototypapparaten av en ordinär ICOM mottagare som är fast inställd på 30 MHz. LF-signalen matar ljudkortet i en PC (ner till höger i bild) där all signalbegandling sker. GPS-mottagaren styr en 10 MHz frekvensstandard som används för att faslåsa 100 MHz referensklockan i DDS-oscillatorn. 1 PPS pulsen från GPS-mottagren används för att tidssynkronisera PC internklocka och starta frekvenssvepet. 

chirpintro

Figur: Principschema över prototypmottagaren. 

Ingångskretsar och HF-del 
HF-delen i "chirpmottagaren" består i all sin enkelhet av en konverter med några få komponenter och som täcker området 2-30 MHz och med MF 29.9 MHz. Som MF används mottagaren i en vanlig amatörradiotranceiver och som är kopplad till en PC med fft-analysprogram (vattenfall).

chirpintro

Antennsignalen (vänster SMB-kontakt) passerar ett 5-poligt lågpassfilter med fc 28 MHz. Lokaloscillatorsignalen nominellt -5 dBm (från DDS VFO:n i nedre högra SMB-kontakt) förstärks i en MAR3 till c:a + 9 dBm. Som blandare används en +10 dBm SCM1LH från Mini Circuits. Mellanfrekvenssignalen nominellt 29.9 MHz centerfrekvens förstärks c:a 14 dB i en MAR3 och finns i övre högra SMB-kontakt. Conversion gain är uppmätt till 7 dB.

En 7812 spänningsstabilisator används för att ge +12V internspänning till de båda MAR3 som är biaserade för 35 mA. En 1004 används som skydd mot felpolning av matningsspänningen.

Konvertern var enbart avsedd som ett temporärt hjälpmedel för att avprova DDS-svepet och köra igång systemet. Därför har ingen större möda lagts ner på vässade och optimerade filter etc.

En riktig mottagarkonverter kräver betydligt bättre ingångsfilter, t ex i form av halvoktaviga bandpassfilter eller liknande. Det krävs också viss filtrering av LO-signalen samt filter eller diplexer på mellanfrekvensen.

Rent mottagarkänslighetsmässigt kan dock denna enkla konverter ta emot lika svaga signaler som vilken kommersiell mottagare som helst, ner till ungefär c:a - 140 dBm. Svagheten i konvertern är dålig IM2 och spegelfrekvensdämpning. 

chirpintro

 

Som synes så är den enkla konstruktion inte på något sätt optimerad. För bättre prestanda måste LO-signalen filtreras ordentligt så att dess övertoner och utombandsspurioser inte når blandaren. Ett LPF eller BPF kan läggas in mellan MAR3 utgång och pin 8 på SCM1LH. MAR3 är lite underdimensionerad i denna koppling och anledningen till den låga förstärkningen 9 dB är att kretsens 1 dB kompressionspunkt helt enkelt är för låg. Om bästa möjliga egenskaper önskas måste anpassningen på pin 8 hållas på 50 ohm resistivt över alla frekvenser. Normalt brukar man lösa detta genom antingen införa 3...6 dB pad. Nackdelen är att det då krävs motsvarande högre LO-injektion. Ett bättre sätt är att använda en diplexer.

Sak samma gäller för MF utgången från blandaren (pin 4) Bästa lösningen är en diplexer så att alla frekvenser termineras i 50 ohm resistivt. Det finns inga genvägar om man vill ha ut maximal prestanda ur en blandare.

Även RF-ingången bör känna 50 ohm och även här gäller diplexer, 3 dB pad och/eller i kombination med en pre-amp med bra storsignalegenskaper.

 

DDS (Direkt Digital Syntes)  -  lokaloscillatorsignal
För att generera mottagarens lokaloscillatorsignal används en oscillator baserad på DDS kretsen AD9858 från Analog Devices. Kretsen innehåller allt som behövs för att skapa en analog signal upp till c:a 50 MHz. Frekvensinställningen kan genom digital kodning göras i steg ner till 0.01 Hz vilket är mycket mer än vad som behövs i en applikation som denna. AD9858 har lågt fasbrus men tyvärr ganska dålig undertryckning av spurioser. I mer avancerade mottagare låter man därför DDS-oscillatorn styra en lågbrusig VCO vilken faslåses till DDS-oscillatorn.   

chirpintro

Richard Hoskins VK6BRO har tagit fram en generell DDS-konstruktion som passar bra i den chirpmottagare som vi tagit fram. Konstruktionen bygger på AD9854 från Analog Devices.

DDS ger hög frekvensnoggrannhet
Fördelen med DDS-oscillatorn är att frekvensen hos utsignalen blir lika noggrann som referensoscillatorn. I prototopen används en temperaturkompenserad 100 MHz kristalloscillator (TCXO) med en noggranhet av 1/10 ppm. För att ytterligare förbättra frekvensnoggrannheten är det möjligt att faslåsa DDS-oscillatorn till en mer noggrann 10 MHz referenssignal. Denna kan skapas med hjälp av signaler från GPS-mottagaren ovan.  

chirpintro

DDS-kretsens frekvenssvep styrs digitalt från seriekanalen i en PC. Den höga frekvensupplösningen 0.01 Hz möjliggör extremst snabba och mycket exakta förändringar av frekvensen. 

   

GPS (Global Positioning System)
GPS består av 24 satelliter i omloppsbana på 20000 Km höjd över jordytan. Systemet drivs och kontrolleras av USA:s Försvarsdepartement sedan 70 talet. Numera har dock civila organisationer fått stort inflytande eftersom den civila användningen ökat. Den höga omloppsbanan och vinkeln mot ekvatorn (inklinationen) gör att man från varje plats på jorden alltid kan ta emot signaler från minst fyra satelliter över horisonten. Omloppstiden för varje satellit är ca 12 timmar.

Namnet antyder att systemet primärt är avsett för navigering och positionering. Systemet ger dessutom möjlighet för noggranna tids- och frekvensmätningar. Varje satellit har fyra inbyggda atomur, två cesium och två rubidiumur där varje enskilt ur är noggrant synkroniserat mot UTC (Universal Time Coordinated). Tidsskalan som används kallas för GPS-tid, det är en kombination eller medelvärde av varje satellits egen klocka och ett antal klockor på jorden bland annat UTC. GPS tid är dock till skillnad från UTC en kontinuerlig tidsskala. Därför skiljer sig GPS-tid från UTC förutom små variationer genom att man i GPS tid inte lägger till s.k. skottsekunder.

Satelliterna sänder på två olika frekvenser benämnda L1 och L2. Signalerna är modulerade med två olika unika koder för varje satellit, för att mottagaren skall kunna särskilja signalerna från de olika satelliterna. Den ena koden den s.k. P-koden är krypterad och används av militären, den andra C/A koden är öppen och sänds bara på frekvens L1 och kan användas av alla. Båda bärvågorna är dessutom modulerade med ett navigationsmeddelande som innehåller information om var satelliterna befinner sig när de sänder ut en speciell del av koden, satellitklockornas tid relativt UTC m m. Eftersom C/A koden bara sänds på en frekvens så kan man inte korrigera för fördröjningar i atmosfären vilket gör att det endast är militären som kan använda GPS systemet med extremt god noggrannhet utan att använda markbundna referensstationer s.k. DGPS differentiell GPS.

I C/A koden finns möjlighet att införa ytterligare onoggrannhet eller missvisning, detta kallas SA eller Selective Availability. Fram till maj år 2000 var SA påslagen i GPS systemet vilket gjorde att man med kommersiella mottagare inte kunde få bättre noggrannhet än ca +- 100 m utan SA blir precisionen ca +-10 m.

Egentligen behövs bara en satellit för att kunna göra tids- och frekvensmätningar, men med flera satelliter kan noggrannheten ökas genom att bilda medelvärden från flera satelliter. Man kan i princip få en tid relativt UTC med en noggrannhet på några hundra nanosekunder om man mäter under flera timmar. Med längre tid och flera olika mätmetoder kan man få ännu högre precision, upp till 10E-10 och 10E-15.

1 PPS standard
I detta projektet har vi valt att använda en GPS mottagare Lassen LP från Trimble, anledningen är bland annat att den finns tillgänglig på surplusmarknaden och att den är enkel att använda och konfigurera.

chirpintro

Prototyp till 1 PPS standard För tidssynkroniseringen av chirpmottagarens frekvenssvep behövs följande signaler och information från GPS-mottagaren: Tid i form av NMEA meddelanden, 1PPS (1 Pulse Per Second), och en 10MHz referensoscillator låst till 1PPS. GPS-mottagare är en Lassen LP. Mottagaren lämnar meddelandena GPGGA samt GPGLL där det senare innehåller tiden ner till 1/10 sek. 

Tekniska data Lassen GP

  • Drivspänning 3.3 V
  • Effektförbrukning 180 mW
  • Drivspänning till antenn, 3.3 Volt
  • TSIP, TAIP och NMEA 0183 protokoll på serieport 1
  • RTCM SC-104 ingång för DGPS på serieport 2
  • 1PPS puls för synkronisering

För att konfigurera mottagaren och för att mottagaren skall kunna skicka tidsmeddelanden till datorn behövs ett programmeringsinterface. De två serieportarna på GPS-modulen ger CMOS/TTL nivåer ut och kan därför inte anslutas direkt till serieporten på datorn. För att klara detta har ett interface med en standardkrets från Maxim (MAX232) tagits fram. Eftersom Maxim-kretsen drivs med 5 V och GPS mottagaren med 3.3 V så används en 7805 stabilisator för 5V, och göra 3.3V (3.6V) fås genom att seriekoppla två dioder. Lassen LP lämnar en mycket kort negativ puls, (1 PPS-puls) som inverteras och förlängs innan den omvandlas till RS-232 nivå för anslutning till CTS pinnen till datorn.

  

Tidssynkronisering mellan sändare och mottagare viktig
GPS-systemet används för att tidssynkronisera sändarens frekvenssvep med mottagaren. Detta medger exakt mätning av löptiden eller den tid det tar för radiosignalen att nå fram till mottagaren. Svephastigheten 100 kHz/s motsvarar en teoretisk avståndsupplösning av 10 mS eller 1.5 km. 

Chirpsändarna i Boden och Visby startar sitt frekvenssvep på 2 MHz var 15:e minut, dygnet runt. Ett komplett svep upp till 28 MHz tar 280 sekunder. Genom att synkronisera ESR:s chirpmottagare i tid och frekvens kan både den mottagna signalens styrka och relativa frekvens (dopplerskiftet) registreras. Just dopplerskiftet är intressant eftersom det är är kopplat till signalens löptid och som påverkas av skikthöjden. Genom bearbetning av signalen i ett FFT-program (vattenfallsprogram) presenteras resultatet som skikthöjden på den vertikala axeln och sändningsfrekvensen på den horisontella axeln.  

Synkning:

Jag laddar DDS kretsen med nollställ räknarna.
Sen laddar jag den med svep parametrarna, men kommandot utlöses inte förrän man ger en puls på IOupdate (eller vad den nu hette), på denna ligger 1PPS signalen.

De inladdade värdena börjar inte användas förrän HW pulsen kommer, dvs kretsen ligger kvar i reset.
De nya värden laddar jag in strax efter att dator klockan slår om, dvs skall jag börja ett svep kl xx.01.38 så laddar jag upp DDS kretsen kl xx.01.37,2 med värdena den ska använda. Pc behöver bara gå så rätt att jag får ut signalen till DDS kretsen efter 37 PPS pulsen och innan 38 PPS pulsen kommer, jag använder NMEAtime för att ställa PCns tid varje minut från NMEA datat.

Användningsområden
Jonosfärsondering är ett bra sätt att lära sig mer om vågutbredning. 

 

chirpintro

Bild 1: Vad visar bilden?

 

chirpintro

Bild 3: Text?

Vad kan man utläsa ur jonogrammet?
Radio energi utbreder sig genom olika moder (t ex ett hopp. två hopp, E-skiktet F-skiktet etc) som har överföringsfördröjning, karakteristik och andra igenkänningsmärken. Signalen från chirpsändaren tas följaktligen emot som flera olika signaler med olika frekvens och fördröjningar.

Dessa signaler processas av mottagarens DSP och visas grafiskt som en funktion av sondens svepfrekvens, med värden för signalens löptid på den vertikala axeln och för mottagningsfrekvens på den horisontella axeln. Det resulterande diagrammet benämns jonogram.

Diagrammet ger information om vilka frekvenser som vid en viss tidpunkt kan reflekteras via jonosfärskikten och som därför är användba för radiosamband. Mätningen Boden - Eksjö gäller naturligtvis enbart denna sträcka, men kan ändå ge en fingervisning om möjligheterna för kommunikation t ex inom Sverige. 

 

Presentation av den mottagna signalen med hjälp av "vattenfall"
På grafen i bild 4 visas frekvensen i MHz längs den horisontella axeln och höjden där signalen reflekteras i km, längs den vertikala axeln. 

foF2 kan läsas ut från ionogrammet. Denna frekvens är den högsta som reflekteras vid vertikalt infall och ved ionosfärförbindelser över mycket korta avstånd (NVIS).

Om man önskar förbindelse över längre avstånd, kan högre frekvenser än foF2 användas. Högsta användbara frekvens vid förbindelse över 3000 km betecknas i ionogrammet som MUF (Maximum Usable Frequency). Vid kortare avstånd än 3000 km ligger MUF för det aktuella förbindelseavståndet mellan foF2 och MUF(3000) som det presenteras här i exemplet.

Mer förklarande text om vattenfall och signalbehandling behövs   ETW?

chirpintro

Bild 5: Signal från sändaren i Boden mottagen i Eksjö.  Bilden visar ett E-skikt på c:a 100 km höjd.

Hur tolkas kurvorna på Ionogrammet

chirpintro

Bild 6: Här ser vi signalen från sändaren i England mottagen i Eksjö.

Vad kan resultatet användas till?
Realtidsdata som vi använder här för att säga något om förbindelsemöjligheterna är baserade på mätningar som precis gjorts. Begreppet realtid är därför inte helt korrekt, men nära nog. 

I jonosfärefysiken är där många processer som har olika varaktighet. Till exempel varar en solfäckscykel 11 år, elektromagnetisk strålning från solen varierar med en period om ett dygn, medans en geomagnetisk storm kan vara från några timmar till ett dygn.

De realtidsdata och resultat vi talar om här kan vara till nytta för att bestämma förbindelsemöjligheterna är i ett visst ögonblick och troligen kommer att vara den kommande timmen. Resultatet är till för att visa trender, inte ge exakt information. 

Eftersom Sverige ligger långt norrut har vi också större problem med HF-kommunikation än t ex stationer i medelhavsområdet etc. Detta beror på att vi är nära norrskenszonen med en mycket oförutsägbar jonosfär som ofta påverkas av solen och dess aktivitet. 


Framtida planer?

Textstycke om automatiskt larm m m    OHB?

 

Monitoring the World's Ionosondes
Unusual DX You Can Try For!
by Anerew W. Clegg
We amateurs rely on a lot of patience and a little luck to snag rare DX. But pros often have to establish a reliable radio link between two distant stations, and many times that link must be established in a matter of minutes. How do they do it?
 
The answer is a device called an ionosonde. Military and scientific users of the short-wave band use them regularly to establish radio links and to probe ionospheric conditions. I'll describe what ionosondes are and how you can listen for them, but first let me digress for a brief review of the ionosphere and its role in radio propagation.
 
The ionosphere (Fig 1) is a layer (several layers actually) of charged particles that surrounds the Earth. The charged particles come from sunlight (ultraviolet radiation and X-rays) that ionizes, atoms and molecules in the upper atmosphere. The ionosphere has the fortunate property that it can refract and reflect radio waves. Two stations separated by a great distance on the Earth can use the ionosphere to communicate over the horizon, since the radio waves traveling between the stations can bounce off the ionosphere.
 
The ionosphere is composed of three principle layers. The bottom-most is the D-region, which is about 30-60 miles above the Earth's surface. The D-region is mostly responsible for absorption of radio signals. Next up is the E-region at about 60- 90 miles. Usually the E-region doesn't affect radio waves very much. Occasionally a very thin, dense ionized layer forms here. This layer, known as "sporadic E," can cause strong reflection of radio waves at frequencies up to VHF,and beyond.
 
The F-region is all of the ionosphere above about 90 miles. It is quite good at refracting radio waves. That is, an upward traveling wave is gradually bent by the F-region until it is traveling back down towards Earth again. The F-region is the layer which is most responsible for long-distance short-wave propagation.
 
Radio waves can bounce off the ionosphere more than once. Such "multi-hop" propagation occurs when signals reflect or refract off the ionosphere to be reflected/ refracted again, and so on. In this fashion specific frequency? Enter the ionosonde!
 
Short for "ionosphere sounder," the ionosonde is actually a very simple device. The ionosonde transmitter emits a narrow bandwidth, low power (10-150 watt) signal that sweeps in a frequency across the short-wave band. Most ionosondes start sweeping at a frequency of 2000 kHz, and sweep at a rate of 100 kHz per second up to a maximum frequency of 30 MHz. It takes 4 minutes and 40 seconds to complete one sweep, and most ionosondes repeat their sweeps every 15 minutes (some repeat at other intervals such as 5, 10, 20 or 30 minutes). Table 1 lists a few dozen ionosonde transmitters and their locations, power and start times. These ionosondes, like most, transmit through omnidirectional antennas.
 
To establish a reliable radio link between two points, an ionosonde transmitter (Fig. 2)  is located at one point and an ionosonde receiver at another. The ionosonde receiver (Fig. 3) is synchronized to sweep at the same time and rate as the transmitter. The receiver records how strong the received signal is at each frequency. At some frequencies the transmitted signal may not be heard at all because ionospheric conditions may be more favorable and the signal may come booming in. The two stations then choose a frequency for the communications link based on the ionosonde results.
 
This technique is used extensively by the military. A command base will operate an ionosonde transmitter and mobile units which must establish a link with the base will use ionosonde receivers in the field to find the best frequency. Once the ionosonde starts sweeping, it takes at most 4 minutes and 40 seconds to establish a link (assuming there are any good frequencies!).
 
A typical "ionogram," as the output of an ionosonde receiver is called, is shown in Figure 5. The ionogram records the strength of the received signal, as well as the total amount of time it took to travel from transmitter to receiver (typically a few milliseconds, where one millisecond equals 1/1000 of a second).
 
Occasionally, a transmitted signal may reach the receiver along several different paths, each with a different time delay. This is why more than one signal shows up in Figure 5, even though only one was transmitted. The separate signals appear as curved traces in Figure 5, where each trace records the signal's time delay (vertical axis) as a function of frequency (horizontal axis). The signals that have taken many hops to reach the receiver show up at large time delays since they have been traveled a larger total distance. The strength of all the signals combined is shown as a function of frequency at the top of the figure. The ionosonde receiver automatically ignores normal short-wave signals (i.e., those that don't drift at the same rate as the ionosonde).
 
As the frequency of a radio wave increases, it penetrates higher up into the ionosphere. This is why the trace for an individual signal in Figure 5 curves upwards with frequency. Beyond a certain frequency, called the Maximum Usable Frequency or (MUF), the signals disappear altogether, since the ionosphere is incapable of refracting them back downwards. In Figure 5, the MUF is about 26 MHz. Above this frequency, the signals exit the top of the ionosphere and travel off into space.
 
Is it possible to hear ionosonde signals without a specialized receiver?  Absolutely -in fact, it's hard not to! Since most ionosondes operate on a regular schedule, it is a simple matter to compute when they will sweep at 100 kHz per second (1 MHz each 10 seconds) up to 30 MHz.
 
A typical short-wave receiver has a bandwidth of about 3 kHz or so, so the ionosonde signal, sweeping by at 100 kHz per second, can be heard only for a small fraction of a second. You should listen for a brief-but very distinctive-"weep" as the signal sweeps by. The ionosonde signals are generally unmodulated, but it doesn't really matter whether you listen in AM or CW mode-the signal is quite distinctive in either.
 
There are several ways to monitor ionosondes on a normal short-wave radio. One is to pick up a good, interference-free frequency in the 2000 kHz-30 MHz range. Monitor that frequency and write down the times (accurate to the nearest second) that you hear ionosondes sweep by. Work back- ward to compute their start times and com- pare to Table 1. (Fig. 4 Global distributation) Keep in mind that Table I is only a partial list of ionosondes (it is estimated that over 200 ionosondes are in operation), and not all ionosondes operate all the time.
 
Another method is to listen to the WWV or CHU tine signals at 2500, 3330, 5000, 7335, 10000 or 20000 kHz. Write down the times at which you hear ionosondes sweep by (their signal will beat with the signal from the time station). This is a very ac- curate way of timing ionosondes. The time difference between the ionosonde start time and when it sweeps by above frequencies will be (in min:sec format) 00:05, 00: 13.3, 00:30, 00:53.35, oi:20, 02: 10 and 03:00 respectively, for an ionosonde sweeping at 100 kHz per second. Using this technique I routinely monitor the Driver, VA, Camp Lejuene, NC, Bergstrom AFB, TX, Isabela, PR, Newport Comer, Canada, Palhais, Portugal and Falkland Islands ionosondes (among others) from my listening post near Washington, DC.
 
To listen for a particular ionosonde, program several interference-free frequencies (or the time station frequencies) between 2000 kHz and 30 MHz into the memory of your short-wave receiver. Then compute when the ionosonde should sweep by each frequency, and listen to these frequencies in turn at the right time. The ionosonde will be audible at those frequencies at which a good ionosonde path exists, and not at others.  This last technique can be used as a real- time check on DX conditions. Say, for example, the ionosonde is clearly heard in the 10000- 15000 kHz range. It may be a good range.
 
Once you know what to listen for, you'll be surprised how often you hear ionosondes, even when you're not trying. If you listen to short-wave for more than a few minutes, you'll certainly hear one or more sweep by. Their 10-150 watt signals are surprisingly easy to hear even over distances of thousands of miles.
 
Avoid the short-wave broadcast bands when listening for ionosondes because the interference level is high. You can often find quieter frequencies in the maritime or aviation bands, such as 3400-3500, 4000- 4438, 5450-5730, 6200-6525, 8100- 9040, 12230-13360, 16360-17410, 22000-22855 and 25070-25210 kHz, to name a few. The radio astronomy bands at 13360-13410 kHz and 25550-25670 kHz are particularly quiet since no transmissions are allowed there. Many ionosondes automatically silence their output in these protected bands, but some don't have this capability.
 
The start times of the ionosondes are accurate to better than about one second or so. To confidently identify a particular ionosondes signal, your clock should be set to WWV (or any other standard time station) to within the same accuracy. Under good conditions you may hear a half a dozen signals sweep by a given frequency within a minute's time. Happy listening!
 
Courtesy of Popular Communications (as printed in Sepetember 1993) and converted for the web by Brooke Clarke
 
Back to Brooke's HF Propagation, RCS-5A Chirpsounder, home pages.
 
This is the 2024th time this page has been accessed since 8 May. 2000.

Definition of the Ionospheric Regions (Structures)

For convenience, we divide the Ionosphere into four broad regions called D, E, F, and topside. These regions may be further divided into several regularly occurring layers, such as F1 or F2.

D-Region:

The region between about 75 and 95km above the Earth in which the (relatively weak) ionization is mainly responsible for absorption of high-frequency radio waves.

E-Region:

The region between about 95 and 150km above the Earth that marks the height of the regular daytime E-layer. Other subdivisions, isolating separate layers of irregular occurrence within this region, are also labeled with an E prefix, such as the thick layer, E2, and a highly variable thin layer, Sporadic E. Ions in this region are mainly O2+.

F-Region:

The region above about 150km in which the important reflecting layer, F2, is found. Other layers in this region are also described using the prefix F, such as a temperate-latitude regular stratification, F1, and a low-latitude, semi-regular stratification, F1.5. Ions in the lower part of the F-layer are mainly NO+ and are predominantly O+ in the upper part. The F-layer is the region of primary interest to radio communications.

Topside:

This part of the Ionosphere starts at the height of the maximum density of the F2 layer of the Ionosphere and extends upward with decreasing density to a transition height where O+ ions become less numerous than H+ and He+. The transition height varies but seldom drops below 500km at night or 800km in the daytime, although it may lie as high as 1100km. Above the transition height, the weak ionization has little influence on radio signals.

For additional information on structure and composition try http://servers5550.itd.nrl.navy.mil/projects/HAARP/ion1.html

 

http://www.alleged.com/radio/Harris/HF-Technology.pdf

http://ion.le.ac.uk/iris/experiment.html

http://www-nrpp.rcru.rl.ac.uk/RA_site/project42/finalreport/s1comparing.htm

http://www-nrpp.rcru.rl.ac.uk/RA_site/project42/finalreport/RA_final_Report_oblique_Sounder1.pdf

http://www.ngdc.noaa.gov/stp/IONO/Dynasonde/

http://www.ngdc.noaa.gov/stp/IONO/Dynasonde/LY.html

 

http://www.dtic.mil/jcs/j6/cceb/acps/Acp191c.pdf

http://www.cass.usu.edu/cass/bl930814.mov  movie

The ionospheric layers vary as a function of time-of-day, season, solar cycle and geographic latitude of observation. An example of this variation recorded at the Utah State University Bear Lake Observatory (41.9N, 111.4W) is shown in the accompanying QuickTime movie. This movie shows a sequence of ionograms recorded at five minute intervals on a geomagnetically quiet day. The movie starts at 00 UT on August 14, 1993 and runs until 0335 UT on August 15, 1993. The difference between UT and LT (local time) is 7 hours, so local noon occurs at 19 UT.

http://www.aeronautics.ru/archive/research_literature/aviation_articles/IEEE/topics/plasma_em_wave_interactions/IEEE%20standard%20definitions%20of%20terms%20for%20radio%20wave%20propagation.pdf


 

INAG - Ionosonde Network Advisory Group Home page

INAG is Working Group 1 of URSI Commission G and is responsible for:

  • collecting together information on the analysis of ionograms,
  • maintaining conventions for the reduction of ionograms,
  • providing a forum for people interested in obtaining reliable data from ionograms,
  • preserving the Global ionospheric climate record.

The INAG Bulletin is one of the more important outputs of INAG. This Web site will become an extension of the Bulletin. In addition, there are a number of other useful reference publications that are reproduced here for wider distribution.

http://www.ips.gov.au/IPSHosted/INAG/index.html

 


Chirp Sounder Basics

State of Chirp Receiving as of Jan 2004

In the beginning the only way for a hobbyist to receive chiprs was by using their ears and a short wave receiver tuned to a fixed frequency or manually tuning the receiver. 

Next came the Motorola 56000 DSP Evaluation kit based chirp sounder receiving method.  With this method the DSP time stamps, using a GPS locked 1 PPS, each sounder as it passes through a fixed frequency. This is a great method of finding sounders and of determining where they are by triangulation.

Next came the PC sound card version of the DSP method called Chirp View. by Andrew Senior.  In this method the 1 PPS from a GPS goes into one of the audio channels of the sound card and the other channel gets the chirp from a fixed tuned receiver.  Generates a log that's in the same format as the 56000 DSP method.

Currently (Jan 2004) there is work on a new method based on the Software Defined Radio which will use a swept Local Oscillator and produce an ionogram, just like the RCS-5.  There is a possibility that this type of chirp receiver can also decode the chirpcom message that contains up to 40 characters repeated 63 times in a 2 to 30 MHz sweep.

http://www.pacificsites.com/~brooke/RCS-5A.shtml


Referenser
[1]
SIG står för Special Interest Group, och definieras som en grupp eller nätverk med personer som vill diskutera och utveckla ett specifikt ämne eller projekt för att tillsammans experimentera, utveckla och dokumentera. Som deltagare i en ESR SIG har Du möjlighet att on-line skriva in och redigera Dina egna inlägg på gruppens gemensamma websidor. Fördelen med detta framför vanliga mailinglistor och reflektorer är att sidorna löpande kan uppdateras och byggas ut av Dig och de andra deltagarna, samt ger en sammanhängande dokumentation.


Automatic Propagation Monitoring Project, (APMP)
ARBETSPAPPER 2004-02-25/EQL
Rev 2004-02-29/EQL/MMJ
Rev 2004-03-01/EQL
Rev 2004-03-11/EQL
Rev 2004-03-14/EQL
Rev 2004-04-28 MMJ

 

Joomla templates by a4joomla

Vi använder cookies för att förbättra våra webbsidor och din upplevelse när du använder dem. Cookies som används för den nödvändigt funktionaliteten för dessa webbsidor har redan blivit satta. To find out more about the cookies we use and how to delete them, see our privacy policy.

  I accept cookies from this site.
EU Cookie Directive Module Information