Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - CQ-PA - Propagatie van LF en VLF golven 2
2.2. De VLF band
Zodra we in deze band komen, is de frequentie hoog genoeg om meerdere soorten staande golven te zien optreden in de aardeionosfeer golfpijp. Boven 5 kHz blijkt de TEM-modus sterk in betekenis af te nemen, terwijl boven ca 7 kHz de TM-1 en TM-2 modi (de zogenaamde transversaal magnetische modi, in twee soorten) tevoorschijn komen. Zoals figuur 1 suggereert, verschillen de modi in golfpatroon en dit heeft weer tot gevolg dat de voortplantingssnelheid en de demping voor TM-1 en TM-2 verschillend uitvalt. Uit theorie en experimenten blijkt dat de TM-2 golf sterker wordt gedempt dan de TM-1 golf. Dit verschil in demping is het sterkst rond de 10 kHz en dat was een belangrijke reden waarom het wereldwijde navigatiesysteem OMEGA tussen 10 en 13 kHz uitzendt.
Het draait hierbij om de interferentie tussen de twee modi: voor nauwkeurige plaatsbepaling wil men slechts een modus, als het even kan, want dat maakt het gemakkelijker om een nauwkeurige voorspelling te maken van afwijkingen in de propagatie. En een afwijking van de propagatie van de bekende patronen leidt tot navigatiefouten. Zo rond de 10 kHz wordt TM-2 sterker gedempt, zodat de konkurrentie tussen TM-2 en TM-1minder hevig is op lange afstanden. In praktijk blijkt de TM-2 modus minder sterk af te nemen met de afstand dan verwacht was en doordat de twee signalen niet even snel zijn treedt er interferentie op. Figuur 2 geeft een voorbeeld: de veldsterkte van de OMEGA trinidad is uitgezet tegen de afstand. Op de afzakkende lijn staan sterke verschillen als funktie van de afstand: er treden pieken en dalen op als de twee modi in en uit fase schuiven naarmate de afstand groter wordt.
Fig. 2. Interferentie van de TM-1 en TM-2 modus van een VLF-zender.
De interferentie is dus het gevolg van een drietal faktoren:
- De TM-2 modus wordt sterker "aangestoten" dan de TM-1 modus;
- De TM-2 modus wordt sterker gedempt dan de TM-1 modus;
- De voortplantingssnelheid van TM-2 is hoger dan die van TM-1.
Hierdoor overheerst TM-2 nabij de zender, terwijl TM-1 het belangrijkst is op grote afstand (5000 km).
2.3. De LF band
Deze band wordt, net als de VLF band, gebruikt voor radionavigatie, datakommunikatie, RTTY, etc. Het belangrijke verschil met de VLF band is de reikwijdte van de zenders. Op de VLF band is de hele aarde te bestrijken, terwijl op LF de afstanden niet veel groter worden dan zo'n 5000 km.
Er zijn hiervoor een aantal oorzaken te noemen: de golfpijp wordt vrij dik ten opzichte van de golflengte, terwijl ook de D-laag meer gaat dempen dan weerkaatsen. In de eerste plaats neemt boven 30 kHz de hoeveelheid modi sterk toe, vanwege de relatief dikke golfpijp: het plaatje wordt snel erg onoverzichtelijk. Er is echter een eenvoudige en goede benadering mogelijk als we de modi samenvatten in een grondgolf en een ruimtegolf: De grondgolf buigt met de aarde mee en de ruimtegolf wordt door de ionosfeer afgebogen (zie figuur 1). Overdag heeft de grondgolf het voor het zeggen, want voor LF golven wil de D-laag niet goed werken als reflektor, maar meer als "demper". 's Nachts is de D-laag in veel mindere mate geïoniseerd en laat de D-laag de golven goed door. Deze reflekteren tegen de E-laag en veroorzaken een sterke interferentie met de grondgolf op aarde. Figuur 3 is een voorbeeld getekend van het verschil in dag- en nachtkondities. De stippellijn is de signaalsterkte overdag. Deze bestaat uit een grondgolf plus een zwakke 1-hop D-laag reflektie. 's Nachts is de propagatie van de ruimtegolf veel sterker aanwezig, waardoor op onregelmatige afstanden van de zender sterke uitdoving of versterking kan optreden. Wat dat betreft lijkt de LF band op de MF band die tussen 300 en 3000 kHz ligt. Ook daar kennen we een sterk verschil in dag en nacht en bovendien een verschil in zomer en winter. De seizoensvariaties zijn op de LF band minder duidelijk dan op MF.
Fig. 3. Variatie van signaalsterke van een LF-zender als funktie van de afstand en het verschil tussen dag- en nachtkondities.
3. Verstoring van de VLF radiopropagatie
Hiervoor werd steeds verondersteld dat de kondities op VLF zeer stabiel zijn, maar ook dit is natuurlijk niet helemaal waar. Zo verandert de gemiddelde hoogte van de D-laag bij elke dag/nacht overgang, wat aanleiding geeft tot faseverschuiving van VLF signalen tijdens de schemering. De voortplantingssnelheid van de modi is namelijk afhankelijk van de dikte van de golfpijp, met andere woorden de afstand tussen aarde en ionosfeer. Deze hoogteverandering is weliswaar praktisch hetzelfde voor elke dag en uit metingen bleek dan ook dat de fase van de VLF zenders een zeer regelmatig en nauwkeurig voorspelbaar patroon volgt gedurende een etmaal. De amplitude van een signaal verandert daarbij nauwelijks, alleen het interferentiepatroon van de twee hoofdmodi (TM-1 en TM-2) zal iets verschuiven.
Waarom is de fase eigenlijk zo belangrijk?
Wel, de navigatie met VLF golven berust op het principe dat men de fase van een drietal zenders meet, of eigenlijk hun onderlinge faseverschillen bepaalt en daarmee de afstand te schatten. Klopt de fase dus niet met de waarde die de navigatiekaarten presenteren, dan zit men dus enigszins naast de werkelijke positie volgens de meting. liet OMEGA systeem werkt op een dergelijke basis in het VLF gebied. Men meet van twee of drie paar stations de onderlinge fase, waaruit men dan 2 respektievelijk 3 (hyperbolische) lijnen van gelijke fase vindt en het snijpunt van deze faselijnen is de positie waar men zich bevindt. (Men noemt het daarom ook wel een "hyperbolisch plaatsbepalingssysteem"; dergelijke systemen zijn ook te vinden in de vorm van DECCA en LORAN-C in de LF band.) Op een OMEGA kaart zijn die faselijnen aangegeven als LOP's, "line-ofposition".
Een tweede aanname die gedaan is, is dat de D-laag een perfekte reflektor vormt voor de VLF golven. Ook dit gaat niet op, want de D-laag dempt nog enigszins en is ook nog enigszins doorzichtig voor VLF golven. Deze transparantie varieert van dag tot dag en dus varieert ook de fase en amplitude van de VLF golf. Een tweede gevolg van de doorzichtigheid van de ionosfeer heeft te maken met een nogal bijzondere vorm van propagatie: de whistler-modus. In het kort komt het erop neer dat een VLF golf relatief gemakkelijk kan worden gepropageerd door de ionosfeer naar de exosfeer (Van Allen gordels) zolang de golf langs de veldlijnen van het aardmagneetveld loopt. In praktijk blijken de golven na een kromme baan buiten de ionosfeer via de exosfeer weer op aarde terug te komen, weliswaar met enige tijdvertraging als gevolg van de interaktie VLF golfplasma. Eveneens worden lage frequenties langer vertraagd dan hogere frequenties. Dit heeft als grappig gevolg dat een korte, harde ruisburst van een bliksemontlading uiteen getrokken wordt tot een glijdende fluittoon of "windhuil"-toon. De vertraging kan erg lang zijn, deze is bij 2 kHz in de orde van 1,5 sekonden. Deze vertraging is niet zozeer een gevolg van de afstand die is afgelegd, maar meer veroorzaakt door het plasma in en buiten de ionosfeer.
Een sterkere verstoring van de VLF kondities wordt veroorzaakt door zonnevlammen en door Aurora. Bij een zonnevlam wordt er soms sterke röntgenstraling uitgezonden, waardoor de D-laag sterk wordt geibniseerd. Op VLF komen faseverschuivingen voor, terwijl op HF de zonnevlam voor een SID (Sudden Ionospheric Disturbance) zorgt. HF signalen duiken plotseling weg en komen langzamerhand weer tevoorschijn, na enige tientallen minuten radiostilte. De D-laag absorbeert tijdens de SID veel van de inkomende HF golven, vandaar de black-out. Op de LF en MF banden gebeurt er niet veel; daar overheerst de grondgolf toch.
Een Aurora heeft meer invloed: fading en faseverschuiving treden 's nachts op op VLF en LF; overdag is alles echter normaal. Bij de polen is Aurora natuurlijk het sterkst ; bovendien zijn seizoensvariaties daar sterker dan op lagere breedten ('s winters is het 24 uur donker, 's zomers 24 uur licht!). In de buurt van de polen is de bruikbaarheid van een systeem als Omega nogal beperkt, vooral ook door het ijs. IJs dempt namelijk VLF radiogolven vrij sterk en deze demping gaat natuurlijk gepaard met faseverschuiving en richtingsverandering van de golf.
In figuur 4 is een grafiekje getekend, waar een vliegtuig vanaf de oceaan over de ijskap van Groenland vliegt. De kilometers dikke ijskap dempt de golf zo'n 30 dB: deze energie wordt door het ijs opgenomen. In plaats van reflektie tegen de aarde treedt slechts demping op en vrij weinig reflektie.
Fig. 4. Demping van een VLF-golf door de ijskap van Groenland.
4. Iets meer over OMEGA
Daar er al eerder over "OMEGA" werd gerept in verband met faseverschuivingen in VLF signalen, wordt hier op dit navigatiesysteem ingegaan.
Na vele jaren van ontwikkeling zijn er allerlei navigatiesystemen bedacht. Vele hadden het nadeel dat ze niet wereldomvattend werkten en met het oog op dat nadeel heeft men in de 70-er jaren het OMEGA-systeem opgestart. Het werkt op drie frequenties in de VLF band (10,2 kHz, 11,33 kHz en 13,6 kHz) en met acht stations is de gehele wereld te bestrijken. Met atoomkokken worden de zenders precies in fase gehouden en de klok zorgt er ook voor dat de zenders niet tegelijk uitzenden op een frequentie. Daar er slechts drie frequenties zijn voor acht zenders, worden de stations met de klok in een tijdschema gehouden, zodat er geen twee zenders tegelijk op dezelfde frequentie uitzenden. Het tijdschema is in figuur 5 uitgezet: het duurt 10 sekonden voor alle acht stations een komplete zendcyclus voltooien. Elk station zendt zijn drie frequenties in volgorde uit voor ca 3 sekonden, waarna hij stil blijft voor de resterende 7 sekonden, totdat het zijn beurt weer is.
Fig. 5. Zendtijdschema OMEGA-navigatiezenders.
De navigatie-ontvanger weet dus dat de fase van de zenders gelijk is en door faseverschillen te bepalen kan men de looptijdverhouding uitrekenen en met twee paar zenders vinden we twee lijnen op de radionavigatie-kaart die snijden in het gezochte positiepunt. Veelal is dat gecomputeriseerd, zodat men de kant en klare positie uit de computer krijgt.
Verandering van fase betekent een verandering in plaatsbepaling, zodat men moet rekenen op een gemiddelde fout van plm. 4 kilometer bij OMEGA. Boven ijsmassa's of tijdens Aurora kan dit oplopen tot 10 km (dat wil zeggen dat men 10 km of minder verwijderd is van de positie zoals die met de radiogolven is gevonden).
Literatuur
- "Phase-difference method offers low-cost navigation receivers", R.W. Burton, Electronics 1974, nr. 5.
- "Propagatie van radiogolven", G. de Jong, collegediktaat, afd. elektrotechniek, T.11. Delft 1979.
- "The propagation of LF and VLF waves", B. Burgess, T.B. Jones; The radio and electronics engeneer, jan./feb. 1975.
Deel 1 - Deel 2
PE1CUX, Henk Mol.