Radiocomunicazioni via Near Vertical Incindent Skywave.

La propagazione NVIS, Near Vertical Incident Skywave, è una tecnica di comunicazione radio in onde corte (HF) in aree il cui raggio ricade entro i 200 km. La tecnica è adatta laddove è assente una infrastruttura di comunicazione, in aree in via di sviluppo oppure laddove è venuta meno a seguito di una calamità naturale o ancora ove si desidera l’indipendenza da qualsiasi altro tipo di gestione, aspetti tipici delle applicazioni militari.

L’applicazione di questa tecnica, sebbene sia e intuitiva e semplice nella sua applicazione, richiede l’acquisizione di elementi conoscitivi necessari per sfruttarne al massimo le potenzialità.

Storia

La tecnica fu introdotta nel periodo tra il 1930 e il 1950, e usata verosimilmente durante la seconda guerra mondiale, quando diverse ricerche sulla ionosfera dimostrarono la possibilità di utilizzare la radio propagazione per la realizzazione di comunicazioni attraverso il globo terrestre. Nel tempo, queste comunicazioni sono state gradualmente sostituite progressivamente dalla disponibilità di nuove tecnologie quali i cavi transatlantici per la telefonia e l’utilizzo di trasponder satellitari a copertura mondiale.

Tuttavia, in assenza di essi, rimane essenzialmente l’unico modo di comunicazione elettronico senza fili, che garantisce di base il prosieguo delle comunicazioni in maniera economicamente sostenibile.

L’avvento dei personal computer e della loro escalation computazionale e l’introduzione recente delle Software Defined Radio hanno permesso lo sviluppo di nuove modalità di processo del segnale a radiofrequenza che ne hanno incrementato le capacità e dato nuovo impulso alla tecnica. 

Di seguito, vedremo nel dettaglio gli elementi necessari per padroneggiare la tecnica.

La ionosfera

Le radiazioni emesse dall’attività solare, modificano la nostra atmosfera terrestre, ionizzando una fascia, la ionosfera, che a seconda della sua composizione chimica (i gas di cui è composta), si stratifica reagendo a particolari radiazioni emesse dalla citata attività. Questi strati, sono:

  • F-layer, composto prevalentemente da ossigeno, viene ionizzato dall’assorbimento delle radiazioni UV a una altezza di 175 km. Durante il giorno questo strato viene distinto in ulteriori due substrati denominati F1 ed F2.
  • D-layer, composto da NO (monossido di azoto) è fotoionizzato dalle particelle Lyman-alpha ad una altezza di 60-90 km. Questo strato è responsabile della forte attenuazione dei segnali alle basse HF e tende a dissolversi completamente durante la notte.
  • E-layer, composto da ossigeno (O2) assorbe i raggi X e le radiazioni UV a una altezza compresa tra 90 e 150 km.

La propagazione NVIS

Un segnale elettromagnetico irradiato da un’antenna viene rifratto dalla ionosfera a seconda della frequenza da uno degli strati su citati. Se tale segnale è al di sopra della frequenza critica passerà oltre gli strati senza essere riflesso/rifratto per quei segnali prossimi alla verticale e rifratto per angoli d’irradiazione più bassi, creando un’area di copertura a una determinata distanza dal ricetrasmettirore, creando la cosidetta skip zone, ovvero un’area dove il segnale sarà assente. Per realizzare una copertura senza la cosiddetta skip-zone sarà necessario utilizzare una frequenza al di sotto della frequenza critica. Entrambi gli strati F2 e D possono essere utilizzati per ottenere un’area di copertura omogenea intorno alla stazione radio.

Propagazione caratteristica di un’onda.

Diversi studi hanno dimostrato la doppia riflessione degli strati F1 ed F2 dovuta alla presenza del campo magnetico terrestre che introduce una divisione in due onde del segnale originario con una polarizzazione circolare di verso opposto. Nell’emisfero Nord è circolare destrorsa (ordinaria) nella direzione di propagazione verso l’alto e sinistrorsa (straordinaria) verso il basso. Nell’emisfero Sud è invertita.

All’equatore magnetico è completamente lineare (orizzontale) mentre alle medie latitudini è pressapoco circolare e definitivamente circolare ai poli.

Infine si rappresenta che sui diversi canali di propagazione l’onda soffre di diversi livelli di attenuazione, ritardi e dissolvenza (fading) a causa della natura intrinseca dei layer

Ciclo solare e variazioni giornaliere

Al fine di mantenere una radiocomunicazione costante, sussiste la necessità di selezionare una frequenza al di sotto delle frequenza critica dello strato F2 in sintonia con le variazioni giornaliere dovute alla ionizzazione, la variazione stagionale alle medie latitudini e il relativo ciclo solare di 11 anni.

Previsioni di propagazione

Uno dei metodi, oggigiorno quasi sempre presenti, per ottenere informazioni sulla propagazione NVIS è rappresentato dalla Ionosonda più vicina alla zona di operazione, che riporta le informazioni necessarie in tempo reale. Ne vediamo di seguito una immagine aggiornata in tempo reale, proveniente dalla Ionosonda di Roma dell’ Istituto Nazionale di Geologia e Vulcanologia.

Ionogrammi. Ionograms.

In essa vengono riportati i valori dell’onda ordinaria e straordinaria, rispettivamente foF2 e fxI (o fxF2). Inoltre è possibile avere secondo un algoritmo dell’ IRI (International Reference Ionosphere) una previsione a breve termine. (IRTAM, IRI Real-Time Assimilative Mapping)

Latest World Ionogram

Antenne NVIS

“Time, effort and money invested in the antenna system will generally provide more improvement to communications than an equal investment to any other partof the station”

ITU Handbook on Emergency Telecommunications

L’antenna riveste una funzione cruciale per il conseguimento della comunicazione. Per un corretto sfruttamento delle proprietà della ionosfera, l’antenna deve essere ottimizzata per ottenere un elevato rapporto S/N al fine di migliorare la capacità di ricevere il segnale trasmesso: Gli aspetti fondamentali da considerare sono:

  • elevato angolo di irradiazione;
  • la polarizzazione;
  • la larghezza di banda.

Possiamo distinguere tre casistiche determinate dalla loro installazione, con pregi e difetti che ne condizionano talvolta l’uso.

Continua…