Propagation ionosphérique

par **Mhz** Sam 21 Nov - 18:16

Atteindre les antipodes en un seul bond n'est pas possible. Pour couvrir de grandes distances (Trafic DX), plusieurs bons sont nécessaires, soit sur la couche F soit sur la couche E, soit sur les deux. On dit alors que pour couvrir le circuit Paris-Montréal (5474km) on utilisera vraisemblablement le mode 2F.

Modes simples

Pour des distances ne dépassant pas 1000 ou 2000 km, il y a de fortes chances pour que la liaison puisse s'effectuer à l'aide d'un seul rebond sur la couche E ou la couche F.
On utilisera un mode 1E ou 1F. Parfois les deux modes sont actifs simultanément, ce qui peut provoquer un renforcement du signal ou un affaiblissement selon le moment.

Modes multiples

Si le circuit comporte 2 ou plusieurs rebonds sur la même couche E ou F, on à affaire à des modes multiples : 2E ou 2F, 3F, 4F...
On considère qu'il faut un mode 7F pour atteindre les antipodes mais il existe d'autres possibilités.
Dans le cas du mode 2F sur la figure ci-contre, le rebond au sol au point 2 peut introduire des pertes plus ou moins importantes selon qu'il se produit sur une étendue glacée ou sur la mer. (Voir : Le sol et les ondes radio ).

Modes mixtes

Lorsque la propagation du signal fait appel à la couche E d'abord puis à la couche F (ou le contraire) on parle de mode mixte :
- mode E+F constitué d'un bond avec réflexion sur la couche E puis d'un bond utilisant la couche F.
- mode F-E+F qui utilise la couche E sur sa face extérieure (d'où le signe "-" devant le "E"). L'espace entre E et F constitue une sorte de guide d'onde.
Ce mode a une particularité qui le rend très performant par rapport au mode 2F : l'onde ne subit que 2 fois l'absorption à la traversée de la couche D et de la couche E : à la montée et à la descente.

Mode 7F pour atteindre les antipodes

La figure ci-contre montre la Terre (rayon moyen 6378km) entourée de sa couche F (à 300km d'altitude), le tout à l'échelle. On voit que l'espace dans lequel se déplacent les ondes est relativement bas de plafond.
L'onde qui quitte l'émetteur E peut atteindre l'antenne de réception R par plusieurs circuits de longueurs identiques. Il y a une sorte de focalisation qui favorise les antipodes.
La longueur moyenne d'un bond dans le mode 7F est de l'ordre de 2890km ce qui correspond à un angle de départ compris entre 5 et 10 degrés.

par **Mhz** Dim 10 Déc - 21:10

Propagation des ondes hautes fréquences dans l’ionosphère

Abstract
L’étude de la propagation des ondes électromagnétiques en bandes hautes (HF) et très
hautes fréquences (VHF) dans l’ionosphère gagne en intérêt avec l’essor des technologies
de communication et de positionnement par satellites. Cependant, la transmission des
signaux associés est dépendante du milieu qu’ils traversent : l’ionosphère. Cette partie
de l’atmosphère terrestre (entre 60 et 2, 000 km d’altitude) est composée d’un plasma
partiellement ionisé, formé par la photo-dissociation des composants neutres par le rayonnement solaire X et UV et impacte la propagation des ondes radios du fait de son pouvoir
réfractant.
Ma thèse a consisté à développer un code de tracé de rayons capable de résoudre les
trajectoires des ondes radios HF et VHF dans une ionosphère réaliste. Pour cela, j’ai
développé un système d’équations permettant de résoudre la trajectoire d’une onde à partir
du principe de Fermat ainsi que divers paramètres associés aux ondes et au milieu traversé
(temps de propagation, indice de réfraction, absorption, le contenu total d’électrons TEC).
Un modèle de champ magnétique dipolaire tilté est également implémenté et permet de
résoudre les modes de propagation ordinaire et extraordinaire.
Dans une première application, j’ai utilisé ce code de tracé de rayons pour simuler
un radar trans-horizon à haute latitude, de type SuperDARN. Dans un premier temps,
j’ai étudié la propagation des ondes dans des profils d’ionosphère synthétiques présentant
différents types de gradients. J’ai montré qu’une ionosphère présentant une région E
développée contraint les régions possibles d’échos à basse altitude et absorbe modérément
à fortement les ondes en fonction de la distance parcourue. Lorsque la région E est peu
développée, les ondes se propagent vers des altitudes supérieures et forment des régions
d’échos avec une large extension en altitude. L’absorption des ondes est également plus
faible. L’introduction de gradient horizontaux a montré que les formes des régions d’échos
ne changeaient pas fondamentalement mais entrainent un déplacement en distance par
rapport au radar de ces régions.Dans un second temps, j’ai utilisé les résultats de cette
étude préliminaire pour analyser la propagation modélisée dans un profil d’ionosphère
réaliste.
Dans une seconde application, j’ai étudié les modes de propagation ordinaire et extraordinaire, dans en premier temps en modélisant le mode de fonctionnement d’une ionosonde.
Cet instrument permet d’estimer le profil local de la densité électronique jusqu’au pic de
région F. Les simulations effectuées avec le tracé de rayons ont permis de reproduire les
différences de propagation (temps de propagation, altitude des échos) entre ces modes de
propagation dans le cas d’une propagation parallèle au champ magnétique. L’étude des
modes de propagation O et X dans le cas d’une propagation de type SuperDARN a montré
des différences négligeables par rapport aux résultats de la première application. Ce résultat
nous a permis de valider l’hypothèse faite par la communauté SuperDARN de négliger
l’influence du champ magnétique sur la propagation. Dans le cas du radar de Stokkseyri,
j’ai montré que, du fait de son orientation perpendiculaire au champ magnétique, les
modes de propagation ordinaire et extraordinaire sont peu différents du mode sans champ
magnétique.
Finalement, j’ai mené une étude de l’impact de l’ionosphère équatoriale sur le positionnement par satellite dans le cadre d’une réponse à appel d’offre pour Thales Alenia Space.
Une étude préliminaire a permis d’identifier les principaux processus propres à l’ionosphère
équatoriale susceptibles de perturber la propagation des signaux. Puis, à l’aide de l’analyse
d’une base de données collectées par des stations africaines équatoriales, j’ai quantifié leurs
variabilités et leurs effets sur la propagation des signaux GNSS.

par **Mhz** Dim 10 Déc - 21:11

Introduction

Le développement rapide des technologies de télécommunications, ainsi que la croissante
dépendance des utilisateurs à ces services (téléphonie, positionnement GPS, détection
radar ...), impliquent que ces systèmes fournissent des informations fiables en toutes
circonstances. Ces systèmes se basent sur l’utilisation des ondes radios, qui sont des ondes
électromagnétiques dont la fréquence est inférieure à 300 GHz. Elles sont utilisées pour
transmettre des informations par modulation de leurs amplitudes, de leurs fréquences ou
de leurs phases.
Dans le cadre d’une communication longue portée (trans-horizon dont je parlerai après,
ou sol-espace), les ondes radios se propagent à travers l’atmosphère terrestre. Or, au
début du XX siècle, G. Marconi a découvert qu’une région de l’atmosphère impactait la
propagation des ondes radios [Marconi, 1902]. Cette région correspond à l’ionosphère, qui
est formée par la photo-ionisation d’une partie de l’atmosphère terrestre par le rayonnement
solaire X et UV, formant une couche de plasma (mélange d’électrons et d’ions respectant
l’électroneutralité) partiellement ionisée et localisée entre 60 et 2, 000 km d’altitude
[Kelley et al., 2009]. L’évolution de ce plasma dépend principalement de l’éclairement
solaire et des processus de précipitation à hautes latitudes.
L’ionosphère se comporte comme un milieu réfringent pour les ondes radios. En effet,
elle possède un indice de réfraction n, qui dépend principalement de la densité électronique
et de la fréquence de l’onde émise. Cet indice a la particularité d’être inférieur ou égal
à l’unité. Il dépend de la densité électronique du milieu, de la fréquence de l’onde et de
l’orientation du champ magnétique.
Pour des ondes de l’ordre de quelques MHz (notées HF), on observe une courbure
des trajectoires ainsi qu’un ralentissement et amortissement des ondes au cours de leur
propagation. Cette courbure peut permettre aux ondes de revenir vers le sol. L’utilisation
de cette propriété permet par exemple de réaliser des communications entre deux points
à la surface de la Terre, situés au-delà de l’horizon optique. Ce sont les communications
trans-horizon.
Pour des ondes de l’ordre de quelques GHz (notées VHF), l’indice de réfraction tend
vers l’unité. Les ondes sont très peu réfractées ou ralenties. Cependant, les méthodes de
positionnement par satellites, qui utilisent ce type d’ondes, sont sensibles aux rapides
variations de densité du plasma ionosphérique, qui sont responsables de variations rapides
d’amplitude et de phase et donc dégradent le signal. Ce phénomène s’appelle la scintillation
ionosphérique et impacte la précision du positionnement par satellite, lorsqu’elle est trop
importante.
Afin de comprendre l’influence de l’ionosphère sur la propagation des ondes radios, des
modèles d’ionosphère et de propagation des ondes ont été développés.
Les modèles d’ionosphère se décomposent en deux groupes. D’une part, les modèles
empiriques, qui sont basés sur une analyse statistique des paramètres ionosphériques
observés par différents type d’instruments. Aujourd’hui, le modèle IRI (International
Reference Ionosphere [Bilitza, 2018] est communément utilisé pour estimer les profils des
principaux paramètres ionosphériques. Les performances de ce modèle sont bonnes pour
l’étude des périodes calmes de cycle solaire [Bittencourt et al., 1992], mais ne permettent
pas de reproduire les propriétés ionosphériques lors d’événements solaires intenses, au
cours d’orages géomagnétiques par exemple [Timoçin et al., 2018]. Cependant, du fait de
sa facilité d’utilisation, il est considéré comme le modèle ionosphérique de référence.
D’autre part, il existe des modèles d’ionosphère physiques basés sur une approche multifluide, qui permettent d’obtenir les profils des principaux paramètres (densité, température,
vitesse ...) par résolution des équations fluides. Ils se décomposent en trois groupes :
globaux, inter-hémisphériques et hautes latitudes. Les premiers proposent une résolution
sur une grille 3D jusqu’à une altitude maximale fixée (en général 2,000 km). Les seconds
résolvent les équations fluides le long des lignes de champ magnétique fermées, permettant
une résolution simultanée dans les deux hémisphères. Enfin, les derniers permettent une
résolution le long des lignes de champ magnétique ouvertes, typiques des hautes latitudes.
Au cours de ma thèse, j’ai utilisé le modèle IPIM (IRAP Plasmasphere-Ionosphere Model)
[Marchaudon and Blelly, 2015] qui combine les avantages des trois types de modèles et
sera présenté en Chapitre 3.
L’étude de la propagation des ondes dépend de la bande de fréquence regardée et des
conditions d’émission (localisation, direction de propagation, type d’instruments...). Il
existe alors différents types de modèles qui permettent de simuler la propagation des ondes
radios dans l’ionosphère. Ces modèles se divisent en deux groupes : les modèles basés sur
la résolution des équations paraboliques, issues des équations de Maxwell et les modèles de
tracé de rayons, résolvant la trajectoire des ondes à partir des lois de l’optique géométrique.
Les premiers se basent sur l’équation d’onde (encore appelée équation d’Helmholtz),
qui est établie à partir de la théorie de l’électromagnétisme. L’équation parabolique est
une approximation de l’équation d’onde. Elle suppose que l’onde se propage dans un
cône de référence orienté dans une direction fixée. Elle a été développée par Leontovich
[Leontovich and Floch, 1946] et Fock [Fock, 1965]. Les seconds se basent sur la résolution
des équations d’optique géométrique, en supposant que les distances parcourues sont
grandes devant la longueur d’onde des ondes modélisées. Cette hypothèse permet d’estimer
la précision de la résolution (pour une onde de 10 MHz, la résolution est de l’ordre
de la longueur d’onde λ ≈ 30m). Les lois de l’optique géométrique sont décrites par
le principe de Fermat. Celui-ci énonce que le trajet parcouru par la lumière minimise
toujours le temps de propagation. Il permet de retrouver les lois de la réfraction et
introduit également le principe de retour inverse (le trajet d’un rayon entre deux points est
indépendant du sens de parcours). La résolution des équations de l’optique géométrique
permet d’obtenir le chemin optique parcouru par l’onde, autrement appelé rayon. La
majeure partie des modèles de tracé de rayons existants se base sur les équations de
Haselgrove [Haselgrove, 1955] qui permettent de résoudre les trajectoires des ondes dans
un repère cartésien. Cette formulation a permis le développement du tracé de rayons
de [Jones and Stephenson, 1975], permettant une résolution du chemin optique dans une
ionosphère simple à trois dimensions. Ce code de tracé de rayons a ensuite été modifié
pour former des codes à deux dimensions à résolution rapide [Coleman, 1998], ou pour
introduire des gradients de densité horizontaux [de Larquier, 2014].
La vaste majorité de ces codes de tracé de rayons utilise le modèle IRI comme modèle
de référence pour l’ionosphère. L’utilisation de ce modèle dans des cas simples donne des
résultats cohérents en comparaison avec les observations disponibles [Chisham et al., 2008,
de Larquier et al., 2011]. Des différences entre la simulation de la propagation des ondes
et les observations apparaissent néanmoins lorsque l’on s’intéresse à des cas d’ionosphère
perturbée [Lei et al., 2004].
Au cours de ma thèse, je me suis concentré sur les modèles dit de tracé de rayons.
Dans ce contexte, j’ai développé un nouveau code de tracé de rayons, capable de résoudre
la propagation des ondes radios dans une ionosphère réaliste. Le développement de ce
code émerge également d’un besoin de résoudre à la fois la trajectoire des ondes radios
dans l’ionosphère, mais également de fournir l’évolution des paramètres associés aux ondes
(vitesses, absorption, ...). De plus, l’utilisation du modèle IPIM, permet de générer des
ionosphères présentant des gradients de densité électronique complexes et représentatifs
de la réalité. En conjuguant ces capacités, nous avons étudié comment les gradients de
densité électronique influent sur la propagation des ondes et leurs paramètres.
Ce manuscrit est organisé en sept chapitres.
Le Chapitre 1 présente une introduction rapide à la formation et structure de l’ionosphère, ainsi qu’à l’électrodynamique résultant du couplage avec le vent solaire et la
magnétosphère.
Le Chapitre 2 présente les équations de propagation des ondes électromagnétiques
dans un milieu ionisé magnétisé et les hypothèses permettant d’utiliser les lois de l’optique
géométrique.
Le Chapitre 3 introduit les différents types d’instruments que j’ai utilisés, ou simulés
au cours de ma thèse. Je présenterai notamment le principe de fonctionnement des
radars SuperDARN et des ionosondes, et présenterai également les principes de base du
positionnement par satellite GNSS.
Le Chapitre 4 est une présentation du code de tracé de rayons développé au cours de
ma thèse. Je présenterai les repères utilisés ainsi que les principaux systèmes d’équations
résolus par cet outil.
Le Chapitre 5 présente une première application du code de tracé de rayons, pour
laquelle nous avons simulé le mode de fonctionnement d’un radar de type SuperDARN.
Dans ce chapitre, nous ferons l’hypothèse d’une propagation dans un plasma non magnétisé,
pour nous concentrer sur l’étude de l’influence des différents types de gradients de densité
électronique sur la propagation des ondes. Nous commencerons par étudier la propagation
des ondes dans des ionosphères analytiques présentant des gradients simples, afin d’identifier
le rôle des différentes régions ionosphériques et des différents types de gradients. Puis,
nous utiliserons les connaissances acquises par cette étude préliminaire afin d’étudier la
propagation des ondes dans une ionosphère présentant des gradients complexes. Nous
comparerons ensuite les paramètres mesurés aux points des échos possibles vus par
SuperDARN pour chacune des simulations, avec les modèles d’estimation de distance et
de hauteur virtuelle de la communauté SuperDARN.
Le Chapitre 6 présente la propagation des ondes dans un plasma magnétisé, en étudiant
les modes de propagation ordinaire et extraordinaire. Dans une première application, nous
simulerons le mode de fonctionnement d’une ionosonde. Le but de cette simulation étant de
valider l’implémentation de ces modes de propagation en retrouvant leurs comportements
théoriques dans le cadre d’une propagation verticale quasi-parallèle au champ magnétique.
Dans une seconde partie, nous reprendrons une partie de l’étude présentée en Chapitre 5,
en considérant cette fois les différences apportées sur les propriétés des trajectoires et des
ondes, par les modes de propagation ordinaire et extraordinaire.
Le Chapitre 7 résume l’étude que j’ai mené au sein de l’entreprise Thales Alenia Space,
au cours du premier semestre 2018, sur la faisabilité d’un système d’augmentation du
positionnement par satellite en ASECNA (Agence pour la sécurité de la navigation aérienne
en Afrique et à Madagascar). Je suis intervenu sur cette étude afin de caractériser les
variations ionosphériques et leurs impacts sur les signaux GNSS dans la zone équatoriale
africaine. L’étude présentée dans ce chapitre a été jointe à la réponse de Thalès Alenia
Space à l’appel d’offre de l’ESA.
Enfin, je conclurai ce manuscrit en reprenant les différentes avancées obtenues au cours
de ma thèse et finirai par des perspectives s’inscrivant dans sa continuité.

par **Mhz** Dim 10 Déc - 21:17

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