ITU-R P 843-1 FRENCH-1997 COMMUNICATION BY METEOR-BURST PROPAGATION《流星突发通信传输》.pdf

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1、Rec. UIT-R P.843-1 1RECOMMANDATION UIT-R P.843-1COMMUNICATIONS UTILISANT LA PROPAGATION PAR IMPULSIONS MTORIQUES(Question UIT-R 221/3)(1992-1997)Rec. UIT-R P.843-1LAssemble des radiocommunications de lUIT,considranta) que la diffusion par lionisation provoque par les tranes mtoriques constitue un mo

2、yen de communicationcommode en ondes dcamtriques et mtriques;b) que des circuits de tlcommunication bidirectionnels fonctionnent sur des frquences comprises entre 30 et100 MHz, des distances allant jusqu 1 800 km;c) que, pour ces communications, on tire parti de crneaux de propagation crs par les tr

3、anes mtoriques et quelon peut obtenir des dbits dinformation allant jusqu 100 Bd, lorsquils sont moyenns sur une heure environ,recommandeque les renseignements qui suivent soient utiliss lors de la conception et de la planification de systmes decommunications utilisant la propagation par impulsions

4、mtoriques.1 Variations dans le temps du flux mtoriqueA certaines poques de lanne, les mtores se manifestent sous forme daverses qui peuvent tre abondantes pendantdes dures de quelques heures; il y a dautre part un fond continu de mtores qui arrivent sur la Terre en provenance detoutes les directions

5、 et seuls ces mtores sporadiques sont prendre en considration lorsque lon planifie des systmesde communication.Aux latitudes moyennes, le taux horaire des mtores sporadiques prsente une variation diurne sensiblementsinusodale, le maximum ayant lieu 06 h 00 et le minimum 18 h 00 (heures locales). Le

6、maximum et le minimum sontdans un rapport denviron 1 4. Dans lhmisphre Nord il existe une variation saisonnire dimportance comparable,avec un minimum en fvrier et un minimum en juillet. Le taux horaire des mtores sporadiques, comme des aversesmtoriques, prsente une variabilit considrable dun jour la

7、utre.Le flux annuel moyen de mtores tombant sur une surface unitaire et donnant lieu une densit linique dlectronsq suprieure un certain seuil q0(nombre dlectrons par mtre) est donn par:I ( q q0) = 160q0m2s1(1)En combinant ce taux global de mtores avec une variation diurne sinusodale reprsentative et

8、 le facteur saisonnier M,tir de la Fig. 1, les variations moyennes dans le temps du flux mtorique peuvent sexprimer comme suit:160q0M 1 + 0,6 sin piT121 m2s1(2)o:T : temps local (h).Pour les besoins de la planification, il peut suffire de considrer seulement la plus mauvaise combinaison du mois et d

9、utemps local.2 Variation spatiale du flux mtoriqueLes mtores se manifestent dans toutes les parties du monde et toutes les heures mais les statistiques concernant leurdistribution gographique et la direction des tranes sont encore incompltes.2 Rec. UIT-R P.843-10843-01MoisFraction dutauxmensuelmoyen

10、,MFIGURE 1Variation dun mois lautre du flux mtorique sporadiquepar rapport sa valeur moyenne1,81,61,41,21,00,80,60,40,20F A MAJM JJ SONDFIGURE 1 D01 = 12,5 cmEn attendant que soient quantifies les variations spatiales, il est recommand dutiliser les estimations de flux obtenuespar la mthode expose a

11、u 1 pour toutes les latitudes.3 Tranes de faible ou de forte densitSelon lintensit de lionisation quelles produisent, on classe les tranes mtoriques en tranes de faible densit et entranes de forte densit. La dmarcation entre les deux cas se fait pour une densit linique denviron 2 1014lectronspar mtr

12、e. Pour calculer lamplitude des signaux diffuss par une trane de faible densit, on additionne les champs dediffusion produits par chaque lectron individuellement. Les tranes de forte densit sont celles pour lesquelles lecouplage entre les lectrons ne peut pas tre nglig; dans ce cas, on calcule les p

13、roprits rflchissantes comme si latrane tait un long cylindre mtallique. Aux frquences utilises dans la pratique, les chos dus aux tranes de faibledensit prsentent un dpart abrupt suivi dune dcroissance exponentielle, alors que ceux qui sont dus aux tranes deforte densit ont des enveloppes plus arron

14、dies et sont de plus longue dure. La proportion des deux sortes dchodpend de la sensibilit du systme.La relation entre le nombre de tranes et lamplitude maximale, A, peut tre reprsente approximativement par:nombre de tranes (A) o varie de 1,0 pour les niveaux de signaux faibles plus de 2,0 pour les

15、signaux les plus forts lorsque les tranessont de forte densit en grande majorit. Pour la plupart des liaisons, lindice est de lordre de 1,1 1,4.Les rsultats obtenus par les systmes utiliss jusqu prsent montrent que les chos proviennent de manireprdominante de tranes de faible densit. Se fondant sur

16、cette constatation, il est recommand de supposer, pour laplanification dun systme typique, que toutes les tranes mtoriques sont de faible densit.Rec. UIT-R P.843-1 34 Longueur quivalente et rayon des tranes mtoriques4.1 Longueur quivalenteLa Fig. 2 reprsente la gomtrie du trajet dun rayon transmis p

17、ar propagation mtorique. T reprsente lmetteur, R lercepteur, P le point de rflexion spculaire et P un point situ plus loin sur la trane et tel que le trajet R1+ R2soitsuprieur dune demi-longueur donde au trajet R1+ R2. Le segment PP, de longueur L, est donc tout entier dans la zoneprincipale de Fres

18、nel et la longueur totale de la trane contenue lintrieur de cette zone est 2 L. A la condition que R1et R2soient beaucoup plus grands que L, on a:L = R1R2(R1+ R2) (1 sin2 cos2)(3)formule dans laquelle: : angle dincidence : angle que fait laxe de la trane avec le plan de propagation : longueur donde.

19、0843-02T RCDR1 R1R2R2PLPEFC: surface de la TerreD: plan de propagationE: trane mtoriqueF: plan tangent: angle de laxe de la trane et du plan de propagationT: metteurR: rcepteurFIGURE 2Trajet du rayon dans le cas de la propagation par impulsions mtoriquesFIGURE 2 D02 = 10 cm4.2 Rayon des tranesPour v

20、aluer la section droite de la diffusion de la trane, on fait habituellement deux hypothses; dune part que, parsuite de la diffusion ambipolaire, la densit radiale des lectrons a une distribution gaussienne, dautre part que la densitvolumique est rduite alors que la densit linique reste constante.La

21、trane dionisation qui suit immdiatement un mtore se forme quasi instantanment, avec une largeur finie. Onlappelle rayon initial de la trane, r0. Une relation empirique entre r0et laltitude du mtore est:log r0= 0,035 h 3,45 (4)o:h : altitude de la trane (km)r0 : rayon initial de la trane (m).4 Rec. U

22、IT-R P.843-15 Puissance reue et affaiblissement de transmission de rfrence5.1 Puissance reueLa plupart des cas pratiques de transmission par impulsions mtoriques font intervenir des tranes de faible densit,aussi les formules relatives au cas des tranes de forte densit sont-elles de moindre importanc

23、e. On obtient desestimations satisfaisantes des performances en utilisant les formules relatives au cas de la faible densit et en admettantque les valeurs de q sont comprises entre 1013et 1014lectrons par mtre, selon les paramtres du systme.La puissance reue pR (t) aprs diffusion sur une trane de fa

24、ible densit est, aux frquences utilises dans la pratique,de:pR(t) = pTgTgR2 a1a2(t) a2(t0) a364pi3R21R22(5)formule dans laquelle: : longueur donde (m) : surface efficace de diffusion de la trane (m2)a1 : facteur daffaiblissement d au fait que le rayon initial de la trane est finia2(t) : facteur daff

25、aiblissement d la diffusion de la tranea3 : facteur daffaiblissement d labsorption ionosphriquet : temps (s) mesur partir de linstant de la formation complte de la premire zone de Fresnelt0: moiti du temps mis par le mtore pour traverser cette zonepT: puissance de lmetteur (W)pR (t) : puissance disp

26、onible aux bornes de lantenne de rception (W)gT: gain de lantenne dmission par rapport une antenne isotrope en espace libregR: gain de lantenne de rception par rapport une antenne isotrope en espace libre.Les antennes dmission et de rception sont supposes sans pertes.R1, R2: distances (m) (voir la F

27、ig. 2).La surface est donne par: = 4 pi re2q2L2sin2 (6)formule dans laquelle:re : rayon apparent de llectron (2,8 10 15m) : angle que fait le vecteur champ lectrique au point dincidence sur la trane avec la direction PR.L2tant proportionnel , la surface lui est galement proportionnelle, de sorte que

28、 la puissance reue, pour le casdune trane de faible densit, varie comme 3. La polarisation horizontale tant normalement utilise aux deuxextrmits, le facteur sin2 de la formule (6) est sensiblement gal 1 aux deux points chauds.Le facteur daffaiblissement a1est donn par:a1= exp 8 pi2r022sec2(7)Il repr

29、sente laffaiblissement cr par les interfrences entre les rayonnements des lectrons chaque fois que lpaisseurde la trane lors de sa formation est du mme ordre que la longueur donde.Rec. UIT-R P.843-1 5Le facteur daffaiblissement a2(t) tient compte de laugmentation du rayon de la trane provoque par la

30、 diffusionambipolaire. On peut le reprsenter par:a2(t) = exp 32 pi2D t2sec2(8)o D est la constante de diffusion ambipolaire (m2s1) donne par:log D = 0,067 h 5,6 (9)Laugmentation de ce rayon peut tre apprciable, mme pendant une dure aussi courte que celle qui est ncessaire pourla formation de la tran

31、e. Leffet total, pour ce qui est de la puissance rflchie, est le mme que celui que lonconstaterait si la portion de la trane contenue lintrieur de la premire zone de Fresnel stait en tous ses pointstendue dans les mmes proportions quen son point milieu. Cette portion de la trane tant de longueur 2 L

32、, le rayon aupoint milieu est celui que lon observe aprs un dlai de L / V (s) o V est la vitesse du mtore (ms1). Appelant ce dlait0, pour les tranes voisines du point milieu (R1 R2= R), on a: pour les tranes perpendiculaires au plan de propagation ( = 90):t0 R2 V 2(10) pour les tranes situes dans le

33、 plan de propagation ( = 0):t0 R2 V 21/2 sec (11)En portant dans la formule (8) la valeur de t0fournie par la formule (10), on obtient la formule:a2(t0) = exp 32 pi23/2DVR21/21sec2(12)valable pour le cas o = 90. Pour le cas o = 0, il convient de multiplier lexpression entre crochets de la formuleprc

34、dente par sec .Le rapport de la constante de diffusion ambipolaire D la vitesse V du mtore, rapport qui intervient dans lvaluationde la puissance reue, peut se reprsenter approximativement par:D / V = 0,0015 h + 0,035 + 0,0013 (h 90)2 103(13)a2 (t) est le seul terme qui dpende du temps. Il fait conn

35、atre la dure dextinction du signal rflchi. Si lon dfinit uneconstante de temps Tuncomme tant le dlai au bout duquel la puissance reue a diminu dans le rapport de 1 e2(cest-dire de 8,7 dB), on trouve:Tun= 2sec216 pi2D(14)En incidence rasante, le facteur sec2 est important et il en est par consquent d

36、e mme pour la constante de duredcho. Cette constante est dailleurs plus leve si lon utilise des frquences plus basses.5.2 Affaiblissement de transmission de rfrenceLes courbes reprsentant laffaiblissement de transmission de rfrence dduites de la formule (5) pour q = 1014lectionspar mtre sont donnes

37、sur la Fig. 3. Langle pouvant prendre nimporte quelle valeur entre 0 et 90, il na t tenucompte que de ces deux cas extrmes. On voit clairement quaux frquences les plus basses laffaiblissement detransmission de rfrence est plus avantageux. Pour tracer les courbes, on a pris pour altitudes moyennes de

38、s mtoresdes valeurs dduites de la formule (15). Il convient de noter que la prvision des performances dun systme dpend defaon critique de la valeur admise pour laltitude.6 Rec. UIT-R P.843-10843-030 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 00015015516016517017518018519019516 MHz40 MHz100 MHzA

39、ffaiblissementdetransmissionderfrence(dB)Porte au sol (km)Tranes perpendiculaires au plan de propagation ( = 90)Tranes dans le plan de propagation ( = 0)FIGURE 3Affaiblissement de transmission de rfrence pour le cas de tranes mtoriques de faibledensit, donn par la formule (5) pour q = 1014lectron/m

40、et une polarisation horizontaleFIGURE 3 D03 = 13,5 cm6 Altitude maximale des chos dans le cas des tranes de faible densit et altitudemoyenne des tranesLe rayon initial de la trane r0et la constante de diffusion ambipolaire D augmentent tous deux avec laltitude. Enconsquence, les influences des facte

41、urs daffaiblissement a1et a2(t0) se combinent de manire rduire le nombre destranes de faible densit qui se produisent au voisinage du sommet de la rgion mtorique et qui sont utiles aux finsdes communications: do un effet de plafond des chos dans le cas des tranes de faible densit. On a constatlexist

42、ence de restrictions du mme genre dans le cas monostatique. La Fig. 4 reprsente la distribution mesure desaltitudes des chos sur des tranes de faible densit pour diverses frquences de radar.On voit que laltitude minimale pour laquelle de tels chos se manifestent est de 85 km et que la distribution d

43、e leuraltitude est sensiblement gaussienne toute frquence.Laltitude moyenne, h (km), de la trane la frquence f (MHz) est:h = 17 log f + 124 (15)Laltitude moyenne de la trane est fonction dautres paramtres du systme, en plus de la frquence. La formule (15) estcependant une bonne approximation.Rec. UI

44、T-R P.843-1 70843-0480 9010011012013018 MHz36 MHz70 MHzNombrerelatif demtoresAltitude (km)Distribution estime des tranes mtoriquesFIGURE 4Distribution, en fonction de la hauteur, des tranes mtoriques de faible densitdonnant lieu des chos aux frquences 18, 36 et 70 MHzFIGURE 4 D04 = 9 cm7 Emplacement

45、s des rgions o la diffusion est optimaleLes proprits diffusantes des tranes rectilignes dionisation mtorique sont essentiellement des cas despce. Pour quecette diffusion soit utilisable, il faut que la trane ionise satisfasse une condition de rflexion spculaire, ce qui exigequelle soit tangente un e

46、llipsode allong dont les foyers se trouvent lmetteur et au rcepteur (voir la Fig. 2). Onestime 5%, dans la rgion du ciel la plus utile, le pourcentage des tranes de mtores incidents que leur orientationrend utilisables. La Fig. 5 fait connatre ce pourcentage dans lhypothse o la distance entre les de

47、ux extrmits de laliaison est de 1 000 km. On peut voir que les rgions optimales de diffusion se trouvent une centaine de kilomtres dechaque ct du grand cercle reliant lmetteur et le rcepteur, quelle que soit la longueur du trajet.La fraction p des tranes utiles, pour un trajet de longueur D, peut tre value en utilisant la formule sui