Soundings of the ionospheric HF radio link between Antarctica and Spain

Abstract

Aquest treball ha estat realitzat sota el context del projecte Antàrtic del Grup d’Investigació en Electromagnetisme i Comunicacions de La Salle (Universitat Ramon Llull). L’objectiu d’aquest projecte és l’estudi del canal ionosfèric com a canal de comunicacions digitals i el disseny de modulacions avançades adaptades. Aquest treball de tesi es centra en el sondeig del canal HF al llarg de tres campanyes consecutives des de 2009 fins 2012 entre la Base Antártica Española (BAE) i l’Observatorio de l’Ebre (OE). En primer lloc, a partir del sondeig en banda estreta s’han obtingut la disponibilitat i la freqüència de màxima disponibilitat (FLA) entre la BAE i OE en el període 2009-2012. En segon lloc, el sondeig en banda ampla ens ha permès estimar la relació senyal-soroll en banda ampla, la dispersió temporal (composite multipath spread), la dispersió freqüencial (composite Doppler spread and Doppler frequency shift) i el temps de propagació. En tercer lloc, s’ha investigat la variació intra-diària i inter-diària d’alguns paràmetres (Densitat total d’electrons, freqüències crítiques i la MUF3000) que han estat mesurades en sondeig vertical en quatre estacions situades al llarg del camí entre la BAE i OE. Finalment, s’ha estudiat la correlació entre la FLA de l’enllaç oblic i la MUF300 de les estacions intermèdies properes als punts de reflexió.

Este trabajo ha sido realizado en el contexto del proyecto Antártico del Grupo de Investigación en Electromagnetismo y Comunicaciones de La Salle (Universidad Ramon Llull). El objetivo de este proyecto es el estudio del canal ionosférico como canal de comunicaciones digitales además del diseño de modulaciones avanzadas adaptadas. Este trabajo se centra en el sondeo del canal HF a lo largo de tres campañas consecutivas desde 2009 hasta 2012 entre la Base Antártica Española (BAE) y el Observatorio del Ebro (OE). Primero, a partir del sondeo en banda estrecha se han obtenido la disponibilidad y la frecuencia de máxima disponibilidad (FLA) entre la BAE y OE en el periodo 2009-2012. En segundo lugar, el sondeo en banda ancha nos ha permitido estimar la relación señal-ruido en banda ancha, la dispersión temporal (composite multipath spread), la dispersión frecuencial (composite Doppler spread and Doppler frequency shift) y el tiempo de propagación. En tercer lugar, se ha investigado la variación intra-diaria y la inter-diaria de varios parámetros (Densidad total de electrones, frecuencias críticas y la MUF3000) que han sido medidas en sondeo vertical en cuatro estaciones situadas a lo largo del camino entre la BAE y OE.Finalmente, se ha estudiado la correlación entre la FLA del enlace oblicuo y la MUF300 de las estaciones intermedias cercanas a los puntos de reflexión.

This work has been done in the context of the Antarctic Project of the Research Group in Electromagnetism and Communications of La Salle (Ramon Llull University). The aim of this project is to study the ionospheric channel as a digital communications channel as well as to design specific advanced modulations specially adapted to it. This work is devoted to the HF channel sounding throughout three consecutive surveys from 2009 to 2012 between the Spanish Antarctic Station (SAS) and the Ebro Observatory (OE). First, the availability and the Frequency of Largest Availability (FLA) of the SAS-OE link have been obtained from the narrowband sounding technique from 2009 to 2012. Second, wideband sounding of the SAS-OE link has been done to estimate the wideband Signal to Noise Ratio (SNR), the time dispersion (composite multipath spread), frequency dispersion (composite Doppler spread and Doppler frequency shift), and the propagation time. Third, there has been an investigation about the day-to-day and inter-day variations of various parameters (e.g., Total Electron Density, critical frequencies, and Maximum Usable Frequency for ground distance MUF(3000)) that have been measured at four Vertical Incidence Sounding (VIS) stations located over the SAS-OE link path throughout three consecutive surveys (from 2009 to 2012). Finally, the correlation between the FLA of the SAS-OE ionospheric link and the MUF(3000) obtained from VIS stations located close to the reflection points of the same link has been studied.