VOACAP-POHJAISET HF-KELIENNUSTEOHJELMAT. Jari Perkiömäki OH6BG

Transkriptio

1 VOACAP-POHJAISET HF-KELIENNUSTEOHJELMAT Jari Perkiömäki OH6BG

2 Ohjelmistokatsaus VOACAP / VOAAREA MULTINEC ACE-HF HAMCAP

3 VOACAP kelisimulaattorina voidaan ymmärtää paremmin signaalin eteneminen kuukausitasolla eri eri eri eri bandeilla vuorokauden aikoina vuodenaikoina auringonpilkkujaksoilla strateginen apu eritoten ulko- mailla tuntemattomissa paikoissa antennien vaikutus peittoalueisiin

4 What s the frequency, Kenneth? peruskysymys on: mikä on kullakin hetkellä (kuukausitasolla) paras taajuus tietyllä yhteysvälillä? VOACAP on työkalu, jolla tuohon kysymykseen voida vastata taajuusalueella 3-30 MHz hyvä ennuste edellyttää hyvää mallia koko kommunikaatiojärjestelmästä: TX-asema, ionosfääri ja RX-asema

5 Ionosfääri TX Antenna toimintataajuus (Design) pääkeilan suunta karttapohjoisesta (MainBeam) teho syöttöpisteessä (Power, kw) etenemisen laskentametodi (Method) kuukauden auringonpilkkuluku (Groups) ionosfäärimalli (Coefficients) ionosfääripainokertoimet (Fprob) lyhyen vai pitkän tien kautta (Path) RX Antenna pääkeilan suunta karttapohjoisesta (MainBeam) vahvistus (Gain, dbi) alin nousukulma (System -> Min Angle) Asema A (Transmitter) koordinaatit Kommunikaatiojärjestelmän muuttujat tilanne tutkittavilla taajuuksilla (Freq(MHz)) haluttu luotettavuusaste (System -> Req.Rel, käytä aina 90%) haluttu kuuluvuudenlaatu (System -> Req SNR), valitaan moden mukaan Asema B (Receiver) koordinaatit taustakohina (System -> Noise)

6 Ionosfääri etenemismuoto (MODE) virtuaalinen korkeus (V HITE, km) MUFday, % kk:n päivistä f < MUF lähtökulma (TANGLE, asteina) antennin vahvistus (TGAIN, dbi) aikaviive (DELAY, ms) antennin vahvistus (RGAIN, dbi) systeemihäviöiden mediaani (LOSS, db) monitie-tod.näk. (MPROB, %) Mikä on lasketun SNR/SNRxx:n suhde haluttuun kuuluvuudenlaatuun, REQ SNR? Asema A Kommunikaatiojärjestelmän muuttujat signaali-kohinasuhteen mediaani SNR; ala: SNR LW, ylä: SNR UP SNR90, signaali-kohinasuhde Req.rel.-arvolla (90% = 27 pv) vaadittava tehonvahvistus RPWRG (db) REL, % ajasta SNR >= REQ SNR (kuuluvuudenlaadun saavuttaminen) S PRB, todennäköisyys Req.rel:n saavuttamiseksi Asema B kentänvoimakkuus DBU signaaliteho S DBW kohinateho N DBW signaalitehon aladesiili SIG LW signaalitehon ylädesiili SIG UP

7 Ionosfääri lyhyesti ionosfääri on Maan ylemmän ilmakehän alue, joka koostuu useammasta sähköisesti varautuneesta (eli ionisoituneesta) kerroksesta. Sähköinen varautuminen on edellytys HF-signaalin taipumiselle. perusmekanismi: auringosta saapuva fotoni törmää neutraaliin atomiin (tasapainotilassa), jolloin tästä irtoaa elektroni. Atomi muuttuu positiiviseksi ioniksi. Näin tapahtuu ionisaatio. Elektroneilla ja ioneilla on taipumus hakeutua yhteen takaisin tasapainoon neutraaliksi atomiksi (rekombinaatio). Ionisaation voimakkuus ilmakehässä riippuu UVsäteilyn voimakkuudesta ja paineesta (riippuu suoraan korkeudesta maan pinnasta).

8 Ionosfääri lyhyesti ionosfääristä on kartoitettu kolme suurta kerrosta: D-, E- ja F-kerrokset. Ionosfääri on jatkuvassa liiketilassa. D-kerros ( km): kova paine; ionisaation lähteinä lähinnä röntgensäteet; suuri vaimennin vaimennus käänteinen taajuuden neliöön: mitä suurempi taajuus, sitä vähemmän se vaimenee. Kun aurinko laskee, ionisaatio ja sitä myöten koko kerros häviää nopeasti voimakkaan rekombinaation takia. E-kerros ( km): ohut kerros, monia ionisoitumistapoja: pehmeät röntgensäteet, UV. Ionisoituu, kun aurinko nousee ja palautuu tehottomaan tilaan/häviää, kun aurinko laskee.

9 Ionosfääri lyhyesti F-kerros: korkeudessa erittäin suuri vuodenajasta riippuva ja myös vuorokauden ajasta riippuva vaihtelu. Päivällä kesällä 500 km:iin asti, talvella 350 km:iin. Suurin osa HF-liikenteestä kulkee tämän kerroksen kautta. Ionisaatio voimakkainta tässä kerroksessa, joka ei häviä kokonaan pimeän tultua. Pre-dawn dip. Rekombinaatio on suhteellisen hidas prosessi, sillä ilmakehän paine ei ole niin voimakas. Ionosfäärin tilaa voidaan tutkia vertikaaliluotauksilla, joilla saadaan selville ns. kriittinen taajuus (critical frequency, fo).

10 Ionosfääri lyhyesti ionosfäärillä on monia säännöllisiä vaihteluita: vuorokauden ajan mukaan (mm. D- ja E-kerros) vuodenajan mukaan (talvi, kesä: F2-kerros) maantieteellisen alueen mukaan (ionisaatio voimakkainta päiväntasaajan alueella, E- ja F1-kerros, korkea fof2) auringon syklisen luonteen mukaan: vaikuttaa eniten ionosfäärin pitkän ajan toimintaan. Minimi- ja maksimikaudet. Nämä vaihtelut ja niistä tehdyt havainnot voidaan muuttaa tilastollisiksi malleiksi. ionosfääriin vaikuttaa myös monet auringon epäsäännölliset vaihtelut, joita ei ole otettu huomioon esim. VOACAP:n tilastollisissa malleissa

11 Ionosfääri VOACAP:ssa ionosfääriparametrit ovat yksi VOACAP:n kriittisimmistä syöttötiedoista VOACAP on kehitetty toimimaan pelkästään CCIR:n ionosfäärimallin mukaan, joten Coefficients-kohta tulee olla aina CCIR (Oslo). URSI on mukana ainoastaan ohjelmoijan mieltymyksen takia! Painokertoimet: 1.00*foE, 1.00*foF1, 1.00*foF2, 0.00*foEs ionosfäärin kuukausitason vireystila määritellään auringonpilkkuluvulla (SSN, smoothed sunspot number). Tämä ei ole mikä tahansa auringonpilkkuluku, vaan erityisesti VOACAP:n käyttämä Lincoln-McNishin algoritmilla laskettu, jonka saa osoitteesta: ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/stp/solar_data/sunspot_numbers/sunspot.predict

12 Lähtötietojen syöttö

13 VOACAP-SSN

14 Tulosparametrin valinta

15 Laskennan tulkinta kun etsitään parasta taajuutta, pitää tutkia seuraavia kysymyksiä: MUFday-parametrin arvo SNR10, SNR50 ja SNR90 (3, 15 ja 27 päivän signaali-kohinasuhde) signaaliteho S DBW (+ SDBW10 & SDBW90) ionosfäärin tukemat lähtökulmat (ANGLE) Lisäkysymykset REL = SNR:n suhde REQ SNR:ään RPWRG = SNR90:n suhde REQ SNR:ään

16 MUF, HPF, FOT eri etenemismuodoilla eri MUF, HPF, FOT MUF = Maximum Usable Frequency, yhteysvälin mediaanitaajuus HPF = Highest Possible Frequency, yhteysvälin ylädesiilitaajuus FOT = Frequency of Optimum Traffic, yhteysvälin aladesiilitaajuus

17 MEDIAANI järjestetyn havaintojoukon keskimmäinen arvo, ei keskiarvo Yhteysvälin oletetut raakahavainnot tietyn tunnin aikana kuukauden eri päivinä, MOF (MHz) Järjestetty havaintoaineisto + FOT, MUT ja HPF aladesiili, FOT mediaani, MUF ylädesiili, HPF

18 MEDIAANI... mediaani, MUF = QSO onnistuu 50%:n todennäköisyydellä eli 15 päivänä kuukauden 30 päivästä aladesiili, FOT = Vähintään 90% MOF-taajuuksista on taajuuden yläpuolella. QSO onnistuu 90% todennäköisyydellä eli 27 päivänä kuukaudessa ylädesiili, HPF = taajuus, jonka alapuolelle jakaumassa jää 90% MOF-taajuuksista kyseisellä tunnilla. Enintään 10% MOF-taajuuksista on siis tämän taajuuden yläpuolella. QSO onnistuu 10% todennäköisyydellä eli 3 päivänä kuukaudessa.

19 MEDIAANI... ajetaan Metodi 9 (tai Metodi 26) ja saadaan HPF-MUF-FOT-taajuudet.

20 Signaali-kohinasuhteet SNR10, SNR50 ja SNR90 SNR10 = SNR + SNR UP joka saavutetaan 10% kuukauden päivistä eli 3 päivänä SNR50 = SNR eli kuukausitason signaalikohinasuhteen mediaani (50% eli 15 päivää) SNR90 = SNR - SNR LW joka saavutetaan 90% kuukauden päivistä eli 27 päivänä

21 Signaalitehot SDBW10, SDBW50 ja SDBW90 SDBW10 = SDBW + SIG UP joka saavutetaan 10% kuukauden päivistä eli 3 päivänä SDBW50 = SDBW eli kuukausitason signaalitehon mediaani (50% eli 15 päivää) SDBW90 = SDBW - SIG LW joka saavutetaan 90% kuukauden päivistä eli 27 päivänä

22 REL-parametri

23 REL vs. Aika

24 Mediaani-signaaliteho vs. Aika

25 Mediaani-lähtökulmat vs. Aika

26 Parametrit, 3Y-Vaasa, Jan 2005 S2 4%

27 Case: SNR, SDBW ja MUF signaali-kohinasuhde (SNR50) on yleisellä tasolla hyvinkin käyttökelpoinen ja yhdessä SNR90:n kanssa osoittaa, missä on kullakin hetkellä ehdottomasti paras bandi. siihen ei saa kuitenkaan luottaa sokeasti: yläbandeilla kohinateho NDBW laskee hyvin alas, tällöin SNR voi näyttää hyvältä, vaikka signaaliteho olisi liian alhainen! Tutki siis SDBW!

28 Case: SNR, SDBW ja MUF alabandeilla kohinataso on saatettu laskennassa jättää liian korkeaksi, jolloin kohina saattaa peittää signaalitehon alleen, vaikka todellisuudessa kohinataso onkin alhainen. Tällöin on hyvä taas kerran tutkia, mikä on SDBW-arvo. joskus SNR-arvot voivat olla erittäin hyviä jopa lasketun MUF:n yläpuolella, tuolloin kannattaa olla varuillaan (lähinnä BC-puolella). Tutki MUFdayarvoa!

29 Case: MODEn vaihto Vaasa Jordania: - etäisyys 3600 km - 1F2:n äärirajoilla - kuvasta näkee, miten 1F2 ja 2F2 vaihtelevat - tutki myös tekstimuotoista tulostetta!

30 Case: MODEn vaihto Nov 2004 SSN = 35. Minimum Angle= degrees VAASA JY Jordan AZIMUTHS N. MI. KM N E N E XMTR D Table [default\ voa ] Az=157.0 OFFaz= kW RCVR D Table [default\ voa ] Az=348.0 OFFaz= MHz NOISE = dbw REQ. REL = 90% REQ. SNR = 27.0 db MULTIPATH POWER TOLERANCE = 3.0 db MULTIPATH DELAY TOLERANCE = ms F E E E F F F F F FREQ MODE TANGLE MUFday S DBW N DBW SNR RPWRG REL SNRxx F E E E F F F F F FREQ MODE TANGLE MUFday S DBW N DBW SNR RPWRG REL SNRxx

31 Antennit ovat A ja O jokaiseen simulaatioon pitää katsoa, että valittavan antennin ominaisuudet vastaisivat mahdollisimman hyvin todellisuutta HFant-ohjelma näyttää suuntakuvion ja nousukulmat VOACAP ymmärtää matemaattisesti HFantilla mallinnettavat antennit ja itsemallinnetut antennit

32 Matemaattisesti mallinnettu Yagi-antenni

33 Matemaattisesti mallinnettu Yagi-antenni...

34 Keinotekoiset antennit vakiovahvistus määritetyillä nousukulmilla ympärisäteileviä, jolloin ei tarvitse erikseen kohdistaa tiettyyn rxpaikkaan soveltuvat erityisesti peittoalueiden simulointiin

35 Keinotekoiset antennit...

36 Itsemallinnetut antennit VOACAPissa voidaan käyttää ulkopuolisella mallinnusohjelmalla tehtyjä antenneja, esim. NEC Win Plus ohjelmalla tehtyjä malleja Antennimalli NEC Win Plus:ssa tallennetaan Type 13 muotoon

37 Itsemallinnetut antennit... Esimerkki: 3-elementtinen 80 m:n jagi Vas.: NEC Win Plus (3D-malli); oik. VOACAP:n HFant

38 HF Terrain Assessment by N6BV HFTA on ARRL:n Antenna Bookin (2003, 20th Ed.) mukana tuleva bonusohjelma. Out File muunnetaan VOACAP-antennitiedostoksi MAKEVOA.EXE-ohjelman avulla.

39 HF Terrain Assessment by N6BV Suuntakuvio tällä VOACAP-antennilla on ympärisäteilevä. Tarkat nousukulmat loppuvat 34 asteeseen.

40 VOAAREA-peittokartat peittoaluekartta = yksi lähetin, monta vastaanottopaikkaa ts. monen yksittäisen yhteysvälilaskennan matriisi piirtoalueen vastaanottopistetiheyden (Grid) voi määritellä itse: mitä vähemmän vastaanottopisteitä, sitä karkeampi peittokartta Tyypillisesti: 61 x 61 = 3721 vastaanottopistettä, parempi: 121 x 121 = Max. 361 x 361 = eli P-toP-laskutoimitusta

41 VOAAREA-peittokartat

42 VOAAREA-peittokartat asetettu kohinataso voimassa samansuuruisena kaikissa vastaanottopisteissä, voi vääristää signaalikohinalaskelmia varsinkin suurilla peittoalueilla tx-antennina voi käyttää keinotekoista ympärisäteilevää, vakiovahvistuksen (esim. 16 dbi) omaavaa erikoisantennia. Vastaanotossa myös ympärisäteilevä antenni, esim. VOA:n SWWHIP-piiskaantenni

43 VOAAREA-peittokartat 16 dbi:n tx-ant asteen lähtökulmilla VOA:n piiska-antenni vastaanottoon

44 VOAAREA-peittokartat Peittoaluekartan rajat ovat itse määriteltävissä Samoin maiden rajojen värit, kaupunkien nimet jne. (Layers) ja tulosparametrien arvojen värit (Contours) Lopullisen piirtoalueen rajaaminen menee yleensä yrityksen ja erehdyksen kautta

45 Esimerkkejä piirtoalueista

46 Esimerkkejä piirtoalueista

47 Esimerkkejä piirtoalueista

48 Esimerkki peittokartasta

49 Esimerkki peittokartasta

50 Esimerkki peittokartasta

51 Esimerkki peittokartasta Kahden peittokartan asettaminen päällekkäin, overlay.

52 Peittokarttojen käyttökohteita Kelitrendien kokonaiskuvan hahmottaminen eri bandeilla vieraassa QTH:ssa, esim. ulkomaisilla DX- ja kilpailupeditioneilla Antennijärjestelmien suunnittelu halutulle kohdealueelle (MUF, ANGLE, RPWRG) VOAAREA Inverse = monta lähetinpaikkaa, yksi vastaanottopaikka

53 VOACAP pintaa syvemmältä Varsinaiset kelilaskelmat (yksittäiset yhteysvälilaskelmat ja peittoaluekartat) suorittaa ohjelma VOACAPW.EXE Se saa syötteenä tekstitiedoston, joka muodostuu useasta ohjauslausekkeesta (control cards) Syötetiedosto voidaan luoda graafisilla VOACAPkäyttöliittymäohjelmilla tai vaihtoehtoisesti käsin Ohjauslausekkeiden kielioppia ei ole VOACAP:n aputeksteissä käsitelty. Tieto löytyy IONCAPteoriakäsikirjasta, jota ei ole julkaistu suurelle yleisölle

54 VOACAP pintaa syvemmältä Graafinen käyttöliittymä asettaa paljon rajoituksia, joita VOACAPW:lla ei ole: 4 TX- ja 1 RX antenni vs. 20 itsemääriteltävää TX/RX-antennia 10 kuukauden vs. 12 kuukauden laskelmat usean eri laskentametodin käyttö yhdellä kertaa 11 pistetaajuutta vs. ääretön määrä pistetaajuuksia taajuuksien erikoislaskelmat - useampi kuin yksi SYSTEM-muuttujisto - useamman kuin yhden yhteysvälin laskenta yhdellä kertaa

55 VOACAP pintaa syvemmältä Syötetiedosto: \itshfbc\run\voacapx.dat - datan asemointi riville on erittäin tarkkaa! COMMENT Any VOACAP default cards may be placed in the file: VOACAP.DEF LINEMAX 55 number of lines-per-page COEFFS CCIR TIME MONTH SUNSPOT LABEL 3Y Peter I VAASA CIRCUIT 68.48S 90.38W 63.08N 21.62E S 0 SYSTEM FPROB ANTENNA [default\ VOA ] ANTENNA [default\ VOA ] FREQUENCY METHOD 9 0 EXECUTE QUIT

56 VOACAP Plussaa ilmainen, eikä tekijänoikeuksien alainen yhteysvälilaskelmien graafiset tulosteet ylivoimaisia kilpailijoihin nähden; yhteysvälilaskelmien eräajo; graafien kielilokalisointi peittoaluekarttojen täysin vapaa suunnittelu: maantieteelliset rajat ja peittovärit; overlays lukemattomia antennimalleja saatavilla ja omien mallien käyttö tulosten tarkastelu graafisesti ja tekstinä ohjelman jatkuva kehitystyö, tosin hiipumassa VOACAP-moottorista löytyy enemmän puhtia kuin graafinen liittymä antaa myöten!!

57 VOACAP Vähemmän plussaa ammattilaisille suunnattu työkalu, käyttöliittymä hiottu mahdollisimman niukaksi; mahdollisuus virheisiin ei tulosten tulkintaa helpottavaa materiaalia ei peittokarttojen animointia oikea, ammattitason käyttö edellyttää teorian opiskelua

58 MultiNEC Shareware-ohjelma, Dan Maguire AC6LA vaatii Excelin toimiakseen toimii käyttöliittymänä VOAAREA:an, paikkaa useamman kartan yhtäaikaiseen generointiin ja katseluun liittyvät ongelmat erityisesti kehitelty peittokarttojen animointiin mutta soveltuu muihin graafeihin ohjelmistopaketti alunperin tarkoitettu antennien suunnitteluun ja mallintamiseen hyvät www-sivut selittävät teorian ja käytön: MultiProp: Using MultiNEC with VOACAP

59 MultiNEC

60 MultiNEC Alkutietojen syöttö: vain kaksi isompaa ruutua.

61 Ham CAP Ilmainen käyttöliittymäohjelmisto; tekijänä Alex VE3NEA; Yhteysvälilaskelmat point & click -menetelmällä: osoitetaan hiirellä haluttuun kohdepaikkaan; oma QTH vapaasti valittavissa Peittoaluekarttojen laskenta helppoa; 24 tuntijakson etukäteislaskenta Integroituu Alexin muiden ohjelmien kanssa (DX Atlas ja IonoProbe) ACE-HF:n haastaja (ks. myöhemmin)

62 Ham CAP

63 Ham CAP

64 DX Atlas

65 DX Atlas + Ham CAP

66 IonoProbe

67 Band Master / DX Atlas / Ham CAP

68 Ham CAP Plussaa ilmainen ja helppokäyttöinen vasta-aseman valinta kartalta hiirellä peittokartat ja niiden nopea käsittely yhteydet muihin ohjelmiin, grayline Kehitettävää SDBW ja REL; HPF- ja FOT-graafit (nyt SNR, MUF, ANGLE, MODE) kohinataso (residential, -145 dbw/hz), lähtökulma (3 ), ionosfäärimalli (CCIR) ja laskentametodi (Method 23 P-to-P, Method 30 peittokartat) eivät ole muutettavissa

69 ACE-HF ACE stands for "Animated Communications Effectiveness", a coverage display technique originally developed for U.S. Navy submarine communications. Amerikkalaisen Richard Bucknerin kehittämä käyttöliittymä VOACAPlaskentamoottoriin Yhteistyötä GeoClockin kehittäjän Joe Ahlgrenin kanssa (kartat), käyttää markkinointikanavia kuten Array Solutions ohjelma sidottu kutsumerkkiin ja määräqth:hin lähtöhinta: $99, päivitys uusimpaan $59, paikkakuntakoordinaattitiedostot $10

70 ACE-HF Aloitusruutu: määrä-qth:sta maailmalle, point & click

71 ACE-HF Alkutietojen syöttö: 4 alakohtaa

72 ACE-HF Yhteysvälilaskelma Vaasa Kota Kinabalu: avoimet bandit ja 24 t kuva; aurinko yhteysvälillä

73 ACE-HF Yhteysvälilaskelma Vaasa Kota Kinabalu: MUF/HPF/FOT, SNR/REL, Paras taajuus

74 ACE-HF Peittokarttojen animointimahdollisuus, grayline

75 ACE-HF Hyvät VOACAP-tutoriaalit saa ilmaiseksi webistä

76 ACE-HF v1 Plussaa helppokäyttöinen, vasta-aseman valinta kartalta hiirellä, avoimet bandit näkyvillä peittokarttojen animointi erittäin hyvät tutoriaalit Vähemmän plussaa Lähtö-QTH:n valinnassa rajoituksia koordinaattitiedostojen maksullisuus (ilmaisista tiedoista tehty maksullisia) syöttötiedot monella välilehdellä (VOACAP:ssa vain yksi ikkuna) peittokarttojen käsittely ei niin intuitiivista