De Zuid-Afrikaanse amateurvereniging SARL heeft twee 5 MHz test frequenties gekocht van ICASA (het Zuid-Afrikaanse AT). Deze frequenties zijn bedoeld voor experimentele- en onderzoeksdoeleinden. Eén van de frequenties is toegewezen voor tweeweg communicatie (5.260 MHz) en de frequentie 5.250 MHz wordt gebruikt voor baken uitzendingen voor het onderzoek aan de propagatie. Ionogrammen uit het Zuid-Afrikaanse ionosonde netwerk zijn vervolgens gebruikt om een analyse te maken van de korte-afstandspropagatie op deze frequenties, in het bijzonder ten behoeve van near vertical incidence toepassingen.
Vooral tijdens noodscenario's is er behoefte aan verbindingen over niet al te grote afstanden, maar verder dan standaard VHF/UHF bereik. Een typisch scenario is bijvoorbeeld een reddingsploeg die opereert in een diep ravijn die moeten communiceren met het basisstation of een coördinatiecentrum. Hemelsbreed zijn de afstanden dan relatief klein, maar in afgelegen, heuvelachtig terrein met eventueel nog een berg ertussen, zijn “normale” communicatie kanalen (bijvoorbeeld het mobiele telefoonnet) onbruikbaar.
Onder de hierboven geschetste condities is een steile opstralingshoek op HF bijzonder effectief. (Dit in tegenstelling tot DX, waar over het algemeen een lage opstralingshoek het beste is.) Bepalend voor het succes van verbindingen over korte afstanden is de keuze voor een antenne die een hoge opstralingshoek heeft naast een frequentie die tegen de ionosfeer terugkaatst en niet er doorheen gaat en de ruimte in verdwijnt. Een ionosonde is het ideale instrument om te helpen bepalen welke frequentie het best gebruikt kan worden voor NVIS communicatie.
De ionosfeer is al uitgebreid bestudeerd door metingen via satellieten, raketten, incoherente reflectie radars en ionosondes. Voor dit onderziek is het noodzakelijk het gedrag van de ionosfeer te bestureden in termen van propagatie van radiogolven en daarom ligt de nadruk op het in kaart brengen van de ionosfeer met behulp van radio probes, met name ionosondes.
Het Zuid-Afrikaanse ionosonde netwerk bestaat uit 4 ionosonde stations die opgesteld zijn in Grahamstown (Oostkaap, 33.3°S, 26.5°E), Louisvale (Noordkaap, 28.5°S, 21.2°E), Madimbo (Limpopo, 22.4°S, 30.9°E) en Hermanus (Westkaap, 34.4°S, 19.2°E). Alle 4 ionosondes zijn Digisondes die gemaakt zijn door de Universiteit van Massachusetts, Lowell Centre voor Atmospheric Research (UMLCAR). De ionosonde van Grahamstown is al sinds 1996 in bedrijf, en die van Madimbo en Louisvale sinds 2000. De installatie van de Hermanus ionosonde is afgerond in juli 2008 en dat was de eerste operationele DPS-4D in de wereld.
De Hermanus ionosonde is geschonken door het Zuid-Afrikaanse departement van Communicatie en wordt bediend en onderhouden door het South African National Space Agency (SANSA). de andere drie ionosondes zijn eigendoom van de South African National Defence Force (SANDF) waarbij SANSA verantwoordelijk is voor het onderhoud van het station in Grahamstown en voor het opslaan en verspreiden van de data. Alle Zuid-Afrikaanse ionosondes werken continu aan het vertical incidence programma in intervallen van 15 minuten.
Een ionosonde is een instrument dat HF radio energie vertikaal opstraalt richting de ionosfeer. De tijd die de echo erover doet om weer terug te komen op aarde wordt gemeten en daaruit wordt de (virtuele) hoogte van het reflectiepunt in de ionosfeer gemeten. De reistijd van de echo is frequentie afhankelijk en wat de ionosonde daarmee produceert is een grafiek van de virtuele hoogte als functie van de frequentie. De virtuele hoogte is wat de hoogte van het reflectiepunt zou zijn als de radiogolf met de lichtsnelheid naar het reglectiepunt zou reizen. Zo'n grafiek staat bekend aks een (vertical incidence) ionogram. Je kunt je een ionosonde voorstellen als een lange-afstands radar die in het HF bereik werkt, en die vertikaal zendt en ontvangt.
Vertical incidence ionogrammen zoals hierboven worden al meer dan 60 jaar gebruikt voor het bestureren en kwantificeren van de ionosfeer, dus al langer dan 5 zonne-cycli. Naarmate de werkfrequentie van de ionosonde toeneemt, neemt ook de vertraging van de echo toe totdat de frequentie gelijk wordt aan de kritische frequentie van de E-laag. Vanaf die frequentie gaat het signaal dwars door de E-laag heen met vrijwel geen echo. In bovenstaand plaatje zie je dat gebeuren bij 3.26 MHz. Voor frequenties net boven foE neemt de tijdvertraging af met de frequentie omdat de frequenties het in toenemende mate makkelijker vinden om de E-laag te doordringen. Maar naarmate de frequentie de kritische frequentie van de F1 laag nadert, vertragen de signalen weer aangezien ze weer door de laag heendringen. In bovenstaande figuut ligt foF1 bij 4.37 MHz. Hetzelfde verschijnsel zie je vervolgens optreden bij de F2 laag. Zodra de frequentie boven de kritische frequentie van de F2 laag komt, foF2, (7.23 MHz in bovenstaande figuur) gaan de signalen door de volledige ionosfeer heen en verwijnen in de ruimte. Omgekeerd, als de frequentie te laag is (b.v. <2.2 MHz in bovenstaande figuur), komt er ook geen signaal meer terug, maar dit maal als gevolg van absorptie door de D-laag.
Als HF energie vertikaal omhoog gestuurd wordt, wordt het gereflecteerd door de ionosfeer en komt het een tijdverschil T later weer terug. De virtuele hoogte kan berekend worden volgens
h' = c*T/2
waarin c de lichtsnelheid is. De ionosfeer is echter geen vrije ruimte en de snelheid van het signaal wat er doorheen reist kan als volgt beschreven worden:
V = c / μ'
Waarin μ' de brekingsindex is.
Tijdens de reis door de ionosfeer veranderen μ' ( en V ) als functie van de dichtheid van de elektronen in de ionosfeer. Door te werken met kleine segmentjes en te integreren over het volledige pad is het mogelijk om de werkelijke hoogte uit te rekenen als functie van de frequentie. In moderne ionosondes wordt dat automatisch gedaan en weergegeven als onderdeel van het ionogram. In bovenstaande figuur zijn dat de twee zwarte lijnen. De onderbroken zwarte lijne net onder de rode echo's wordt gebruikt voor het berekenen van de afbuigingen en de doorgetrokken zwarte lijn die bij de minimale frequentie en een hoogte van net 90km begint en eindigt op 580km hoogte, geeft het werkelijke hoogteprofiel weer.
Als gevolg van het magnetisch veld van de aarde zijn er twee sporen te zien voor elke laag, namelijk de ordinary (O) en extraordinary (X) sporen. In bovenstaande figuur is het O-spoor in rood weergegeven en het X-spoor in groen. Als een gepolariseerde radiogolf de ionosfeer raakt, splitst hij zich in twee karakteristieke golven (ordinary en extraordinary) die onafhankelijk van elkaar hun weg zoeken door de ionosfeer. Het magnetische veld van de aarde heeft een belangrijke invloed op zowel de ionosfeer als de HF propagatie. De sterkte van het magnetisch veld wordt gemeten in termen van de electronen gyro-frequentie. Geladen deeltje zoals elektronen kunnen namelijk niet zomaar door een magnetisch veld reizen maar worden in een cirkelbaan gedwongen. De snelheid waarmee ze hun cirkelbaan doorlopen wordt de gyro-frequentie genoemd en die is afhankelijk van het gewicht van het geladen deeltje, de sterkte van de elektrische lading en de sterkte van het magnetisch veld. Voor elektronen in het aardmagnetisch veld is de gyrofrequentie over het algemeen lager dan 2 MHz en varieert met de lengte- en breedtegraden over het oppervlak van de aarde. De vertikale asymptoten voor foF2 en fxF2 zijn gescheiden op ongeveer de halve gyro-frequentie, fb. Voor Grahamstown is dat ongeveer 0.38 MHz volgens bovenstaande grafiek.
Onder de condities zoals geschetst in bovenstaande grafiek is het duidelijk dat in Grahamstown NVIS propagatie over korte afstanden mogelijk is op de 3.5 (80 m), 5.25 (60 m) en 7 MHz (40 m) banden. De signalen op de hogere banden (10 MHz, 14 MHz, 18 MHz, etc.) gaan door de ionosfeer heen en verdwijnen in de ruimte. Daarnaast blijkt uit de grafiek dat NVIS propagatie op de 1.8 MHz (160 m) band (en lagere banden) ook niet mogelijk is als gevolg van absorptie door de D-laag.
In deze figuur is te zien dat de atmosferische storingsniveau's lager zijn op de hogere banden en leggen we dat over het ionogram, dan blijkt de 7 MHz band de beste band voor korte afstand (dus < 200 km) sky wave communicatie. Dat is typisch voor communicatie midden op de dag. (Het ionogram is gemaakt om 12.45 Afrikaanse tijd.)
Voorbeeld van het falen van 7MHz voor korte afstands verbindingen.
Een onderzoek van de ionogrammen zoals die geproduceerd zijn door het Zuid-Afrikaanse ionosonde netwerk laat zien dat de 40m band niet altijd geschikt is voor korte afstands NVIS (overdag) propagatie zoals dat wel noodzakelijk is tijdens noodcommunicatienetten.
In het Louisvale ionogram zie je dat de hoogste vertical incidence frequentie die nog door de ionosfeer gereflecteerd wordt rond de 5.5 MHz ligt (Rode en groene sporen.)
(De andere sporen in het ionogram zijn het gevolg van de signalen van de andere ionosondes in het netwerk, en dat geeft een indicatie van de propagatie over het ~700 km pad.) Uit het Louisvale ionogram blijkt zonneklaar dat NVIS communicatie niet mogelijk is in de 7 MHz band onder deze condities om 08.00 lokale tijd waarop het ionogram gemaakt werd. Onder deze omstandigheden geeft 5 MHz de meest betrouwbare communicatie omdat de storingsniveau's daar een stuk lager zullen liggen dan op 3.5 MHz (zoals uit het storingsdiagram blijkt).
Voorbeeld wanneer 5MHz niet werkt
's-nachts, net voor zonsopkomst, is korte-afstands sky wave communicatie meestal alleen mogelijk op de 3.5 MHz (80 m) en 1.8 MHz (160 m) banden. Onder de condities zoals hierboven in figuur 6 is te zien dat de 5 MHz band in dat geval niet geschikt is voor NVIS communicatie.
Tijdens perioden van hoge zonnevlek-activiteit kan het zijn dat de absorptie door de D-laag doorloopt tot voorbij 5 MHz, waardoor geen enkele sky wave communicatie mogelijk is op 5 MHz, over geen enkele afstand. In het ionogram van figuur 7 hieronder duidt het gebrek aan echo's onder de 6 MHz op grote absorptie door de D- laag en een overeenkomende LUF (Lowest Useable Frequency) van 6 MHz. Onder deze omstandigheden geven de hogere amateurbanden (7 MHz of zelfs 10 MHz) de beste NVIS resultaten.
Samenvatting
De ionogrammen zoals die door het Zuid-Afrikaanse ionosonde netwerk gemaakt zijn laten duidelijk zien dat de 5 MHz band onder bepaalde omstandigheden superieur is voor NVIS verbindingen. Die omstandigheden doen zich het vaakst voor in de ochtend en de namiidag als de 7 MHz band geen korte afstandsverbindingen toepaat en de 3.5 en 1.8 MHz banden te lijden hebben van hoge stoorniveau's. Overdag is de 7 MHz (en 10 MHz tijdens hoge zonnevlek activiteit) band het meest geschikt voor korte afstands verbindingen. Deze metingen worden dan ook aangewend om te pleiten voor een toewijzing voor radio amateurs waardoor hun effectiviteit tijdens noodsituaties aanzienlijk kan verbeteren. Vooral in bergachtig gebied zijn NVIS verbindingen van cruciaal belang. Het Zuid-Afrikaanse ionosonde netwerk is uniek in Afrika en stelt de lokale amateurs in staat om gedegen onderzoek te doen naar de condities in deze band en hun vaardigheden op propagatiegebied te verbeteren.