Ionosonda e ionograma

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Los ionosondas son instrumentos de prueba utilizados para generar ionogramas y ayudar a determinar el estado de la ionosfera y seleccionar las frecuencias óptimas para la comunicación por radio HF.

Con el fin de obtener una visión del estado de la ionosfera para diversas formas de comunicación por radio, se utiliza un instrumento de prueba conocido como ionosonda.

El instrumento de prueba a veces también se conoce como sonda de incidencia vertical, VIS, y este nombre da una indicación del funcionamiento de la ionosidonda.

Ionosondes y los ionogramas que producen son instrumentos de prueba esenciales utilizados para investigar el estado de la ionosfera. Las salidas que producen son capaces de dar una indicación del estado de la ionosfera por encima de ellas que se puede utilizar para crear una imagen de cómo son las condiciones ionosféricas en ese momento.

Ionosonda fabricada por Scientific Instruments Ltd
Ionosonde
Cortesía del fabricante, Scientific Instrumentation Ltd., Saskatoon, Canadá

Detectando el estado de la ionosfera usando una ionosonda, es posible construir una imagen del estado real de la ionosfera en ese momento y también en ese punto del globo. Utilizando una red de estos instrumentos de prueba en todo el mundo se puede construir una imagen más precisa y estos datos se pueden utilizar para determinar las frecuencias óptimas para la radiodifusión de alta frecuencia y los enlaces de comunicación por radio, tanto de corto alcance como de larga distancia.

¿Qué es una ionosonda?

El concepto de la ionosada es que es una forma de instrumento de prueba que transmite pulsos de potencia de RF verticalmente hacia arriba. Luego recibe la señal que se refleja y esto muestra muchos detalles sobre la ionosfera por encima de ella.

Concepto básico del funcionamiento de una ionosonda
Concepto básico del funcionamiento de una ionosonda

Se puede ver en el diagrama que la señal se dirige hacia arriba hacia la ionosfera. La señal se eleva y en algún momento es posible que se refleje de vuelta a la Tierra y sea recibida por una antena y un sistema receptores.

La señal normalmente se pulsa, como la de un radar convencional, y utilizando el retardo de tiempo para la señal devuelta, es posible determinar la altura de reflexión.

En consecuencia, se puede ver que la ionosada es efectivamente una forma especializada de radar pulsado que se utiliza para detectar la ionización en la ionosfera.

La gráfica de la salida de ionosonda se llama ionógrafo y en los primeros días esto se habría impreso en papel, pero los sistemas modernos obviamente utilizarán tecnología informática, almacenando los datos para su procesamiento y visualización según sea necesario.

La señal de la ionosidonda comienza a baja frecuencia y se intensifica en frecuencia. Inicialmente, la señal es reflejada de vuelta por la ionosfera, pero a medida que aumenta la frecuencia, penetra más profundamente en la región relevante y, finalmente, pasa a la siguiente región ionizada, donde se produce el mismo proceso a medida que la frecuencia se barre hacia arriba. Eventualmente se alcanza un punto donde la señal pasa a través de todas las regiones de la ionosfera y no se refleja.

Hay un retraso de tiempo entre el momento en que se transmite la señal y la señal reflejada. Sabiendo la velocidad que viajan las señales, es posible convertir esto en una cifra de distancia o altura.

Hay una variedad de instrumentos que se han utilizado a lo largo de los años de diferentes fabricantes y con diferentes especificaciones, pero en esencia todos proporcionan la misma función.

Ha habido muchos desarrollos en la tecnología de ionosondas. Los sistemas analógicos se utilizaron hasta la década de 1970. Todos estos sistemas barrieron las partes relevantes del espectro, normalmente desde alrededor de 1 MHz hasta entre 15 y 25 MHz.

Generalmente utilizaban un nivel de potencia relativamente alto, a menudo de hasta 25 kW. Los barridos podían tardar entre unos 30 segundos y 2 minutos, lo que les daba la capacidad de observar variaciones a relativamente corto plazo en la ionosfera.

Desde la década de 1970 se han utilizado sistemas digitales. Estos proporcionan esencialmente lo mismo que los analógicos, pero proporcionan considerablemente más facilidades y son capaces de manipular los datos mucho más fácilmente, ya que utilizan la tecnología informática y de procesamiento de señales digitales.

Aunque es posible configurar una ionosonda en casi cualquier lugar requerido, varias estaciones están ubicadas en todo el mundo y los datos de muchas de ellas se almacenan en el Centro Mundial de Datos A en Boulder, EE. UU.

Varias estaciones de ionosonda están en funcionamiento en todo el mundo, pero con la reducción en el uso de la porción de HF del espectro para la comunicación por radio, etc., hay menos ionosondas en uso, aunque se accede a algunas para uso ocasional para investigación.

¿Qué es un ionograma?

Un ionograma es la forma de trazado que es producido por una ionosido. Es esencialmente una gráfica de la altitud contra la frecuencia.

El eje vertical muestra la altura y el eje horizontal muestra la frecuencia.

Un diagrama idealizado de un ionograma que muestra los puntos principales de la curva
Un diagrama de ionograma idealizado

Desde el ionograma es posible ver las frecuencias críticas para cada una de las regiones o capas ionosféricas. Estos están etiquetados como f0 para cada capa o región. En otras palabras, f0 E es la frecuencia crítica para la región E, etc.

Del diagrama se puede observar que la señal se envía hacia arriba e inicialmente es absorbida por la capa D y no se ve ningún reflejo.

A medida que la señal sube en frecuencia, comienza a reflejarse de nuevo en el suelo por la región E y el retraso en la recepción del pulso permite determinar la altura aproximada.

A medida que aumenta la frecuencia, la altura de la reflexión aumenta a medida que la señal penetra más en la región E. En última instancia, la velocidad a la que la señal penetra en la región para un aumento dado en la frecuencia aumenta a medida que la señal alcanza el punto en el que pasa por la región. La frecuencia real a la que pasa a través de la región E se llama frecuencia crítica, f0 E.

Por encima de f0 E, la señal llega a la región F1 (suponiendo que la región F se haya dividido en dos) y el proceso se repita. Una vez más, el mismo proceso se repite para el F2, hasta que la señal pasa a través de todas las diferentes regiones y viaja al espacio exterior.

En realidad, los ionogramas reales son menos distintos que los diagramamáticos, pero se pueden distinguir los mismos patrones básicos.

Datos de una ionosada
IonogramaAunque es posible obtener ionogramas de los datos en bruto de la ionosonda, la mayoría de los datos en estos días se procesan para proporcionar datos e imágenes más utilizables.

Los datos de una ionosonosa se procesan para proporcionar datos más útiles
Ionograma usando datos procesados por una computadora.

En este ionograma procesado, los puntos en bruto son los datos de la ionosido, y luego las curvas se han ajustado a los datos para mostrar más fácilmente el estado de la ionosfera y la forma en que puede soportar la comunicación por radio.

Lo que hay dentro y la ionosonosa

Los ionosondas son elementos sofisticados de instrumentación de prueba. Están diseñados específicamente con el propósito de probar el estado de la ionosfera. Aunque tienen muchas similitudes con otras formas de radar pulsado, están especializados porque normalmente están destinados a su uso en frecuencias entre aproximadamente 1 MHz y 30 MHz.

Historial de desarrollo de la ionosonda

Las ionosondas modernas pueden rastrear sus raíces en el desarrollo de los primeros sistemas de radar pulsado. Utilizan exactamente los mismos principios, aunque su aplicación y las frecuencias utilizadas son muy diferentes.

Aunque las primeras ideas para el radar se postularon ya a principios del siglo XX, no fue hasta el inicio de la Segunda Guerra Mundial que el radar en sí fue utilizado a lo grande por ambas partes. El desarrollo del radar progresó mucho durante este tiempo.

En términos del desarrollo de la ionosada en sí, se desarrolló el primer radar pulsado en EE. UU. y hubo experimentos realizados utilizando la tecnología para determinar la altura de una capa conductora en la atmósfera superior. El instrumento de prueba pronto se refirió como ionosonda y se desarrolló aún más para mejorar su rendimiento.

Para cuando llegó la década de 1970, la tecnología digital y de procesamiento comenzó a afectar la forma en que se diseñaban las ionosondes. Utilizando tecnología de procesamiento era posible procesar los resultados, en lugar de solo tener que analizar manualmente los datos en bruto.

Otro impacto importante en el desarrollo de la ionosada fue la introducción de la computadora personal. Esto permitió evaluar los datos de la propia ionosonda dentro de una computadora local. Estas computadoras personales fueron capaces de proporcionar niveles significativos de procesamiento.

Hoy en día, la mayoría de las ionondondas están asociadas con una computadora y una pantalla para permitir que los datos se procesen instantáneamente produciendo resultados instantáneos, y también para vincularlos a otras ionondondas en una red para proporcionar una visión más completa de las condiciones ionosféricas y mejorar la recepción de la transmisión, así como las comunicaciones de radio bidireccionales en las bandas de HF que están sujetas a variaciones ionosféricas.

 

El uso de ionosondas es un método clave para determinar el estado real de la ionosfera. Con varios de estos dispositivos colocados en todo el mundo, se puede determinar una buena indicación del estado real y esto se puede utilizar, junto con otros indicadores, para predecir las mejores frecuencias a utilizar para la comunicación por radio de alta frecuencia tanto para distancia corta como para enlaces de comunicación por radio de larga distancia.

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