Numerical Ray Tracing of Medium and High Frequency Radio Waves in the Terrestrial Ionosphere
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2019-01-29
Department
Major/Subject
Engineering Physics
Mcode
SCI3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
123 + 10
Series
Abstract
This thesis develops a numerical ray tracing program to study the propagation of medium and high frequency radio waves in the terrestrial ionosphere. Based on the cold plasma wave approximation and geometrical optics, a ray tracing program is developed in C++ to numerically solve the paths of radio waves transmitted as skywaves. The thesis presents the key properties of the terrestrial ionosphere as a medium for radio waves. We show how the Appleton-Hartree dispersion relation can be used with the Hamiltonian ray equations to obtain a solution to the radio ray path by adaptive numerical integration. Depending on the polarization of the radiating antenna, we present methods for evaluating the signal attenuation by magnetoionic splitting, ground reflections, and D-layer absorption. Moreover, we present a Monte Carlo method for estimating the geometric attenuation of skywaves. The performance of the developed ray tracing program is validated against theoretical and empirical results. We find that the computed predictions of the maximum usable frequency agree well with the predictions of commercial software, representing at most a difference of 8% between our ray tracer and the commercial program. Moreover, we ascertain that the developed ray tracer produces reversible ray paths, a property that is expected on the basis of first principles. Finally, the developed program is used to predict coverage maps of a high frequency receiver in orbit, demonstrating how ray tracing and ray reversibility can be utilized to deduce high frequency ground stations that are within reach of a satellite.I detta diplomarbete utvecklas ett program för numerisk strålföljning (ray tracing) som används för att studera utbredningen av medium- och högfrekventa radiovågor i jordens jonosfär. Approximationen av vågor i kalla plasmer samt geometrisk optik används som basis för att utveckla ett strålföljningsprogram i C++ som numeriskt beräknar rymdvågornas utbredning. Arbetet presenterar centrala egenskaper hos jordens jonosfär som ett medium för radiovågor. Det demonstreras hur Appleton-Hartree-dispersionsrelationen kan användas med de Hamiltonska strålekvationerna för att lösa radiostrålens bana med hjälp av adaptiv numerisk integrering. Beroende på sändande antennens polarisation presenteras metoder för att beräkna signaldämpningen vid magnetojonisk uppdelning och reflektion vid markytan, samt dämpningen på grund av absorption i jonosfärens D-skikt. Dessutom presenteras en Monte Carlo-metod för att uppskatta den dämpning som orsakas av rymdvågornas utbredning över långa sträckor från sändaren. Det utvecklade strålföljningsprogrammets prestanda valideras med både teoretiska och empiriska mått. Beräknade värden för den maximala användbara frekvensen stämmer väl överens med resultat som producerats av ett kommersiellt program, vilket bevisas av att de förutspådda värdena skiljer sig med högst $8\%$ mellan det utvecklade och kommersiella programmet. Dessutom påvisas reversibilitet av de beräknade strålbanorna, vilket är en egenskap som förväntas på basis av fysikaliska grundprinciper. Slutligen används programmet för att förutspå räckvidden av en HF-mottagare som befinner sig i omloppsbana. Dessa resultat demonstrerar hur strålföljning och strålreversibilitet kan användas för att hitta HF-markstationer som är inom räckhåll av en satellit.Description
Supervisor
Kallio, EsaThesis advisor
Kauristie, KirstiVanhamäki, Heikki
Keywords
ray tracing, ionosphere, skywave radio, computer simulation, cold plasma waves, geometrical optics
