Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1149
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 551.510.535: 621.317.79
Dip/.-Ing. Hans Georg Moller
Institut fUr Ionosphăren-Physik am Max-P/anek-Institut fUr Aeronomie, Lindau/Harz
im Auftrage der Deutsehen Gesellsehaft fUr Ortung und Navigation e. V., DUsscldorj
Impulslibertragungsversuche mit schrager Inzidenz
und veranderlicher Frequenz
liber Entfernungen zwischen 1000 km und 2000 km
SPRINGER FACHMEDffiN WIESBADEN GMBH 1963
Von der Technischen Hochschule Hannover angenommene Dissertation - 1961
ISBN 978-3-663-06350-6 ISBN 978-3-663-07263-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07263-8
Vcr1ags-Nr.011149
© 1963 by Springer Fachrnedien Wiesbaden
Urspri1nglich erschienen bei Westdeutcher Verlag, KOln und Op1aden 1963.
Inhalt
Einleitung ........................................................ 9
Übersicht über frühere Arbeiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Aufgabenstellung .................................................. 13
A Beschreibung der Geräte
Al Grundsätzliche Darstellung .................................. . 15
A1.1 Fernübertragung mit veränderlicher Frequenz ................. . 15
A 1.2 Impulszeitzeichen .......................................... . 17
A 1.3 Rückstreumessung und Senkrechtlotung ...................... . 18
A2 Technische Daten .......................................... . 18
A3 Quarzuhranlage ........................................... . 20
A 4 Synchronisation der Quarzuhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
A 4.1 Einstellung der Uhr ........................................ , 23
A4.2 Ausgleich von Standdifferenzen .............................. , 24
A5 Frequenzgleichlauf zwischen Sender und Empfänger ............ 25
A 5.1 Dynamische Fehler ......................................... . 26
A 5.1 a Ungenauigkeit beim Beginn der Drehbewegung des Abstimm-
kondensators .............................................. . 26
A 5.1 b Ungenauigkeit der Drehgeschwindigkeit ...................... . 26
A 5.2 Statische Fehler ........................................... . 27
A5.3 Registrierung des Frequenzgleichlaufs ......................... 27
A6 Senderverstärker .......................................... . 29
B Übertragungsversuche und Meßergebnisse
B 1 Die Versuchsstrecken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
B2 Auswerteverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
B 2.1 Grundsätzliche Vorbemerkung .............................. . 34
B 2.2 Umrechnung Senkrechtlotung auf Fernübertragung 35
B 2.3 Umrechnung Fernübertragung auf Senkrechtlotung .... ;........ 39
5
B 2.4 Br.stimmung des Laufweges .................................. 40
B 2.4a durch Hin- und Rückübertragung ... . ........ . ...... ..... . .. 40
B 2.4b aus der Differenz der Laufwege ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41
B 2.4c Vergleich der Verfahren zur Bestimmung des Laufweges ......... 42
B 2.5 Deutung einiger typischer Aufnahmen..... . .. .... ..... . ....... 43
B 3 Vergleich zwischen Senkrechtlotung und Fernübertragung ....... 45
B 3.1 Vergleich einiger typischer Fernübertragungsaufnahmen ......... 46
B 3.2 Tagesgang der Grenzfrequenzen .............................. 48
B 3.3 Statistische Zusammenfassung der Meßwerte ................... 53
B 3.4 Diskussion der Abweichung der Mittelwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
B 3.4a Einfluß der Krümmung der Ionosphäre ......, . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55
B 3.4 b Einfluß der Empfängerlaufzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
B 3.4c Einfluß des Erdmagnetfeldes ................................. 58
B 4 Einfluß von Inhomogenitäten auf die Fernübertragung .......... 61
B 4.1 Diskussion der Streuung der Meßwerte............... .... . . ... 61
B 4.2 Vergleich zwischen Fernübertragung und Senkrechtlotung bei
großen Inhomogenitäten ...... ; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65
B 4.2a Großer Nord-Süd-Gradient der kritischen Frequenzen. . . . . . . . . .. 65
B 4.2b Einseitige Frequenzerhähung durch Streuzentren. ... .......... .. 71
B 4.3 Einseitige Abweichung der MUF durch kleine Inhomogenitäten. .. 74
B 4.3a Änderung der Grenzfrequenz längs des Übertragungsweges . . . . . .. 75
B 4.3 b Änderung der Schichthähe längs des Übertragungsweges ........ 77
B 5 Rückstreubeobachtungen .................................... 80
C Sammlung von ausgewählten Fernübertragungs-Ionogrammen
C 1 Normale Tagesgänge ... ............ ...... ..... . ..... . ....... 85
C 2 F -Übertragung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
2
C 3 E-Übertragung.... ...................... ..... ...... ........ 90
C 4 E- und F-Übertragung ...................................... 90
C 5 Bildung der F 1-Schicht ...... .............................. 90
C 6 Dämpfung ......................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
C 7 Rückstreuaufnahmen ............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
C 8 Starkes Spread-F. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112
Literaturverzeichnis ................................................ 115
6
DAnhang
D 1 Trennung von zwei Impulsen, deren Laufzeitdifferenz kürzer ist
als die Impulsdauer ......................................... 117
o
2 Verringerung der Drehgeschwindigkeitsschwankungen des Abstimm-
kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
D 3 Vergleich zwischen ebener und gekrümmter Ionosphäre. . . . . . . . .. 121
D 4 Berechnung der Fernübertragung mit Sprungstelle .............. 130
D 4.1 Sprung in der Grenzfrequenz ................................ 130
D 4.2 Sprung in der Schichthöhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 133
D 5 Berechnung einer Fernübertragung über Streuzentren ........... 133
D 6 Echolotungsgerät ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 136
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Einleitung
Beim Kurzwellen-Funkverkehr außerhalb der Bodenwellenreichweite wird der
für die Übertragung brauchbare Frequenzbereich durch den jeweiligen Zustand
der Ionosphäre bestimmt. Die Elektronenkonzentration und ihre Höhenverteilung
in den reflektierenden Schichten bestimmen die höchste brauchbare Frequenz.
Die Ionisation in den tiefer liegenden Schichten begrenzt den Bereich durch
Dämpfung nach tieferen Frequenzen. Die entsprechenden Daten werden von
einem weltweiten Netz von Ionosphärenstationen durch senkrechte Echo
lotungen und Absorptionsmessungen laufend bestimmt. Diese Meßergebnisse
benutzt die Praxis, um die übertragungswege für Funksignale zu berechnen, die
von einem Sender ausgestrahlt werden und nach Reflexion an der Ionosphäre am
Boden in einer Entfernung D empfangen werden sollen.
Insbesondere interessieren die Grenzen des Frequenzbereichs, in dem eine Funk
verbindung möglich ist. Nach der im angelsächsischen Schrifttum üblichen
Bezeichnung wird die obere Grenze dieses Bereiches MUF (maximal usable
frequency) und die untere Grenze LUF (lowest usable frequency) genannt.
Je flacher die Übertragungswege verlaufen, desto höher ist die MUF im Vergleich
zur kritischen Frequenz fc, die bei der Senkrechtlotung als höchste Frequenz
an einer Schicht reflektiert wird.
Bei der Berechnung der übe1tragungswege wird zur Vereinfachung angenommen,
daß die Elektronenverteilung in der Ionosphäre nur eine Funktion der Höhe ist.
Außerdem werden die Krümmung der Ionosphäre, der Einfluß des Erdmagnet
feldes und die Dämpfung vernachlässigt.
Ob diese vereinfachenden Annahmen bei der Berechnung zulässig sind, kann
geprüft werden, wenn man die Ausbreitungsbedingungen zwischen zwei Punkten
als Funktion der Betriebsfrequenz f experimentell bestimmt. Im allgemeinen
treten mehrere Übertragungswege gleichzeitig auf. Diese unterscheiden sich
durch die Größe ihrer Laufzeit vom Sender zum Empfänger. Sie können daher
durch Impulsübertragung getrennt beobachtet werden. Wird außerdem die
Betriebsfrequenz f variiert, kann für jeden Weg die Laufzeit als Funktion der
Frequenz registriert werden. (Es ist üblich, statt der Laufzeit den Laufweg p
anzugeben, welcher, entsprechend der scheinbaren Höhe, definiert ist als die
Laufzeit multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit im freien Raum. Bei den
Impulsübertragungen mit veränderlicher Frequenz wird also der Laufweg p als
Funktion der Frequenz f registriert.) Aus diesen Registrierungen können für
jeden übertragungsweg die Grenzen des brauchbaren Frequenzbereichs, die
Werte von MUF und LUF, direkt abgelesen werden.
Eine zweite Möglichkeit, die MUF zu bestimmen, gibt die Registrierung der
Laufzeit von Rückstreuungssignalen. Wenn die vom Sender ausgestrahlte
9
Energie nach Reflexion an der Ionosphäre wieder am Erdboden auftrifft, wird
der größte Teil gespiegelt; ein kleinerer Teil wird an den Bodenrauhigkeiten
nach allen Seiten gestreut, also auch in Richtung der einfallenden Welle. Dieser
kleine Bruchteil der gestreuten Energie läuft zum Sendeort zurück. Bei Sende
frequenzen oberhalb der kritischen Frequenz ist der Rand der toten Zone die
kürzeste Entfernung, aus der Energie zurückgestreut werden kann. Er ist aber
auch die kürzeste Entfernung, über die Fernübertragung möglich ist. Da die
tote Zone mit steigender Frequenz anwächst, ist die Frequenz, bei der der Radius
der toten Zone gerade gleich der Übertragungsentfernung ist, gerade die MUF
für diese Entfernung.
Allerdings läßt sich bei Rückstreubeobachtungen nicht direkt die Größe der
toten Zone bestimmen, sie läßt sich jedoch berechnen aus dem Laufweg der
Echos, die am Rande der toten Zone gestreut und in einer Höhe h reflektiert
wurden. Bei großen Rückstreuentfernungen ist diese Methode recht genau, selbst
wenn man die momentanen Reflexionshöhen nicht genau kennt und dafür ein
zeitlicher Mittelwert angenommen werden muß.
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Übersicht über frühere Arbeiten
FARMER und RATCLIFFE [1] und FARMER, CHILDS und COWIE [2] sind wahr
scheinlich die ersten, die die Methode der Impulsfernübertragung mit ver
änderlicher Frequenz angewandt haben. Zur Berechnung des Laufweges p(f)
benutzten sie den Mittelwert aus den Meßdaten der beiden Senkrechtlotungs
stationen an den Endpunkten einer 464 km langen Übertragungsstrecke. Sie
fanden, daß an ungestörten Tagen für die höchste Übertragungsfrequenz der
ordentlichen Komponente der F2-Schicht (F2-MUF = maximal usable frequency
der F2-Schlcht) der Mittelwert der relativen Differenz zwischen Rechnung und
Messung < 0,5% war. Auch BEYNON [3] findet auf einer 700 km langen Meß
strecke für die F2-MUF eine gute Übereinstimmung zwischen Rechnung und
Messung.
Bei größeren Entfernungen werden dagegen deutliche Abweichungen zwischen
der Berechnung aus den Meßwerten einer Senkrechtlotungsstation in der Mitte
der Übertragungsstrecke und der Fernübertragung festgestellt.
Diese Abweichungen können sehr groß werden, wenn die Ionosphäre gestört ist.
In diesem Fall kann der Zustand der Ionosphäre durch die Meßwerte der Senk
rechtlotungsstation in der Mitte der Übertragungsstrecke allein nicht mehr
dargestellt werden. Es ist daher zweckmäßig, bei der Bestimmung der höchsten
Übertragungsfrequenz zwei Fälle zu unterscheiden.
1. Der klassische Fall
Dieser wird beobachtet, wenn die Ionosphäre ungestört ist, bzw. wenn die
Elektronenverteilung auf der betrachteten Übertragungsstrecke praktisch nur
eine Funktion der Höhe ist. In diesem Fall zeigt die Registrierung der Fern
übertragung recht gut den Vedauf, der auf Grund der vereinfachenden Annahmen
durch Berechnung der Fernübertragung aus einer Senkrechtlotung zu erwarten
ist. K. DAVIES [4] schlägt vor, die höchste Übertragungsfrequenz in diesem Falle
die klassische MUF zu nennen.
Auf einer Meßstrecke über 1150 km fand WIEDER [5], daß die gemessene F2-MUF
im Mittel 3% höher ist, als die Berechnung aus der Senkrechtlotung in der Mitte
der Übertragungsstrecke erwarten ließ. Die Japaner [6] fanden auf einer 1090 km
langen Strecke ebenfalls 3% als Mittelwert der relativen Differenz. Auf einer
1840 km langen Strecke wurde in Japan festgestellt, daß die F2-MUF im Mittel
6% höher lag als die berechneten Werte. SULZER [7] berichtet dagegen, daß auf
einer 2400 km langen Strecke die mittlere relative Differenz nur 0,5% betrug.
Diese Angabe bezieht sich allerdings nur auf eine beschränkte Anzahl von Meß-
11
werten, während AGY und DAVIES [8] auf derselben Meßstrecke einen mittleren
Wert von 3% gefunden haben.
Übereinstimmend wird bei allen Versuchen ein Effekt gefunden, der in folgendem
Sinne als einseitig bezeichnet werden soll: die gemessene MUF ist im Mittel
höher, als die Rechnung aus den Senkrechtlotungen erwarten läßt. Ein quantitati
ver Vergleich dieser verschiedenen Resultate ist schwierig, weil nicht immer ein
deutig angegeben ist, welche Komponente der magnetischen Aufspaltung aus
gewertet wurde, und wie der Einfluß der Krümmung der Ionosphäre berück
sichtigt wurde.
2. Die gestörte Ionosphäre
Die Ionosphäre soll in diesem Zusammenhang als gestört bezeichnet werden,
wenn die Flächen gleicher Elektronenkonzentration nicht mehr als waagerechte
Ebenen betrachtet werden können, sondern in horizontaler Richtung merkliche
Änderungen der Elektronenkonzentration auftreten. Störungen in diesem Sinne
liegen z. B. vor, wenn die kritische Frequenz oder die Höhe der Schicht sich
längs des Übertragungsweges ändert, oder wenn in die Schicht Wolken erhöhter
Elektronenkonzentration eingelagert sind. In diesen Fällen werden auf den Regi
strierungen der Fernübertragung zusätzlich Impulsspuren gefunden, die über die
klassische MUF zu höheren Frequenzen laufen. DAVIES [4] schlägt vor, die höchste
Frequenz, bis zu der diese Spuren beobachtet werden, im Unterschied zur MUF
mit MOF = maximal observable frequency zu bezeichnen.
K. BAILEY [9] berichtet als erster, daß auf einer 2400 km langen Übertragungs
strecke Spuren beobachtet wurden, deren MOF bis zu 10% höher lag als die MUF.
Er glaubte, die Spuren durch Streuung an Inhomogenitäten in der E-Schicht
erklären zu können. DAVIES [4] dagegen vermutet, daß Wolken erhöhter Elek
tronenkonzentration am unteren Rande der F-Schicht die Ursache sind.
B. J. FULTON, L. E. PETRIC und W. S. P. WARD [10] beobachteten auf der
2760 km langen Strecke Winnipeg-Resolute Bay Spuren, deren MOF um 20%
höher war als die MUF. Als Ursache nehmen auch sie Streuung an Unregel
mäßigkeiten in der Polarlichtzone an.
Über Vergleichsmessungen zwischen der Rückstreuung und der Fernübertragung
mit veränderlicher Frequenz wurde zuerst 1958 von R. SILBERSTEIN [19] be
richtet. Auf einer 2370 km langen Versuchsstrecke wurde 1954 nach beiden Ver
fahren die MUF bestimmt. An ungestörten Tagen ist die Übereinstimmung zwi
schen den beiden Messungen sehr gut. Die Rückstreumessungen ergeben im
Mittel einen Wert der MUF, der um 0,5% höher liegt als die Werte der Fern
übertragung.
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