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In questo lavoro di tesi è stato sviluppato ed implementato un modello per il canale ionosferico, da usare per simulare il segnale ricevuto da un radar OTH sky-wave in banda HF (High Frequency).
Dopo una panoramica generale sui radar OTH sky-wave, sono state decritte le criticità di tali sistemi radar mettendo in evidenza le principali differenze tra sistemi OTH ed i radar convenzionali che lavorano a frequenza più elevate.
Nel primo capitolo è stato poi preso in esame l’indice di prestazione SNR_N , il quale permette l’analisi dei parametri del radar in funzione della frequenza e consente di implementare delle tecniche di selezione delle frequenze trasmissive, ottime dal punto di vista della massimizzazione del ritorno energetico.
E’ stato poi caratterizzato il canale di propagazione ionosferico, descrivendo in maniera dettagliata i principi fisici che governano la propagazione in ionosfera ed analizzandone i principali parametri caratteristici rappresentati da:

giorno, mese e Sun Spot Number (SSN)
densità elettronica
frequenza di plasma
altezza virtuale di riflessione

Tali parametri, sono stati poi usati per simulare, attraverso un programma di ray-tracing, il percorso in ionosfera fatto dall’onda elettromagnetica trasmessa.
Poiché, tutti i risultati ottenuti in questa tesi, si basano sull’ipotesi di poter trascurare il campo magnetico terrestre, in previsione di sviluppi futuri è stato anche sommariamente descritto come si modifica il plasma ionosferico in presenza del campo geomagnetico, descrivendo il principale fenomeno che affligge il segnale in banda HF, ossia l’effetto Faraday.
È stata analizzata la variabilità temporale del canale ionosferico il cui effetto è quello di introdurre il fenomeno del “multipath fading”. Tale fenomeno si verifica al ricevitore dove il segnale si presenta come la composizione di diversi contributi provenienti da cammini multipli, che sperimentando diversi ritardi e diverse attenuazioni, si ricombinano con fasi del tutto aleatorie. Oltre ad essere dispersivo nel tempo, il canale ionosferico è anche dispersivo in frequenza, questo comporta la presenza di fenomeni che danno origine a delle modulazioni Doppler sul segnale ricevuto.
Il segnale subisce uno shift Doppler dovuto ai moti di deriva degli strati ionosferici interessati alla riflessione dell’onda elettromagnetica.
Da una prima analisi si osserva che i moti longitudinali della ionosfera, producono contributi in Doppler trascurabili. Più critici risultano invece, i moti di deriva verticale; in questo caso gli spostamenti in frequenza possono arrivare fino a qualche Hz e quindi dar luogo a distorsioni non trascurabili nel dominio Doppler (può essere falsata o addirittura mascherata la misura della frequenza Doppler dovuta al bersaglio).
Le modulazioni Doppler introdotte dal canale, sono state modellate in questo lavoro di tesi, introducendo il modello di Watterson. Il modello impiega una Tapped Delay Line, per simulare i diversi percorsi ionosferici in grado di propagarsi nel canale, ogni cammino viene poi modulato in fase ed ampiezza da una funzione Tap Gain con spettro Doppler gaussiano, la cui ampiezza è distribuita secondo una variabile aleatoria di Rayleigh.
Tale spettro Doppler, essendo gaussiano è completamente caratterizzato dal suo valor medio (shift Doppler) e dalla sua varianza (Spread Doppler).
Si è concluso che lo spread Doppler, imposto dal canale, si traduce in un allargamento di banda sul segnale ricevuto, causato dalla natura dispersiva in frequenza del canale; per questa ragione le frequenze del pacchetto d’onda trasmesso, vengono traslate ognuna di una quantità differente. A causa della natura aleatoria del canale ionosferico, tale fenomeno deve essere trattato in maniera statistica. Per questa ragione, al fine di quantificare lo spread Doppler, si è fatto uso del modello di canale standardizzato ed implementato dalla ITU-R, parametrizzato al variare della latitudine e della condizione ionosferica. Da questo studio è emerso che gli effetti di allargamento della banda del segnale si possono ritenere con buona approssimazione trascurabili se confrontati con la banda del segnale trasmesso, ipotizzata pari a 30 KHz.
Una volta messo a punto il modello per il canale ionosferico, è stato descritto il simulatore implementato per ricavare il segnale ricevuto da un radar OTH sky-wave in banda HF, considerando il solo contributo del canale ionosferico, ossia trascurando i vari disturbi esterni, quali rumore ambientale, il clutter ed eventuali jammer.
Si è scelto di simulare la trasmissione di un segnale chirp di banda B=30 KHz e durata T_i=4ms, studiando due tipi di scenari:

Il primo che riproduce un sondaggio del canale ionosferico, immaginando il sistema come se fosse formato da un trasmettitore che invia il segnale che si propaga attraverso la ionosfera e, dall’altra parte, un ricevitore che crea il segnale ricevuto sommando le varie repliche distorte dal passaggio nel canale.

L’altro scenario invece, simula il segnale ricevuto in un sistema radar monostatico, considerando i percorsi andata e ritorno, trasmettitore-bersaglio e bersaglio-ricevitore, ipotizzando che le statistiche del canale rimangano le stesse sui due percorsi, dato che il tempo impiegato dal segnale a propagarsi è minore del tempo di coerenza del canale ionosferico.


Si è descritto l’algoritmo usato per selezionare i raggi di ritorno da un eventuale bersaglio, del quale si ipotizza nota la posizione a terra.
Dalle simulazioni effettuate, si è verificato che le repliche del segnale trasmesso sui vari percorsi ionosferici, che nascono a causa della natura tempo variante del canale, possono sommarsi al ricevitore in maniera anche coerente; la fase dell’onda elettromagnetica dipende dalla distanza percorsa rapportata alla lunghezza d’onda, quindi se al ricevitore le fasi sono tali da fare in modo che le repliche si sommino in maniera coerente, allora il fading può essere anche costruttivo.
Si è verificato che le perdite per propagazione sperimentate dall’onda e.m. si aggirano intorno ai 200 db, se si considerano i percorsi di andata e ritorno, mentre quelle per assorbimento ionosferico, dovute al solo assorbimento non deviativo, sono circa 2 dB.
Sfruttando il modello di densità elettronica ionosferica proposto dall’IRI (International Reference Ionosphere), è stato simulato il profilo di densità elettronica nel mese di Aprile, per quattro ore differenti, prese in modo da coprire l’intera giornata, concludendo che il profilo massimo lo si ottiene a mezzogiorno, in accordo al fatto che la ionizzazione è massima a quest’ora. Il profilo minimo corrisponde alla mezzanotte, infatti, non essendoci il sole, la ionizzazione risulta la più bassa possibile.
In base al principio di funzionamento di un radar OTH, un particolare punto in ground range dovrebbe poter essere raggiunto da una sola coppia frequenza-angolo di alzo, dalle simulazioni si evidenzia invece, che vi possono essere due raggi elettromagnetici, associati ad una diversa coppia (f,β), che raggiungono lo stesso punto in ground range.
Questo fatto è conseguenza delle perturbazioni ionosferiche, che causano l’aleatorietà dello strato ionosferico su cui l’onda si riflette e che possono essere controllate solo attraverso un monitoraggio in tempo reale attraverso una rete di ionosonde.
Inoltre, dalla teoria ed in condizioni di propagazione normali, un raggio con angolo di alzo maggiore, dovrebbe raggiungere un punto ad una distanza in ground range minore, invece, dalle simulazioni effettuate, si nota che tale condizione può anche non essere rispettata.
Questo fenomeno avviene a causa di particolari proprietà della ionosfera, secondo le quali quando la frequenza dell’onda elettromagnetica si avvicina al valore della frequenza critica, questa anziché essere subito riflessa verso terra si incanala nello strato ionosferico F, coprendo così delle distanze in ground range maggiori.
In definitiva, il canale ionosferico distorce il segnale trasmesso, introducendo:

Spread delay
Shift Doppler
Spread Doppler

Lo spread delay è definito come la differenza tra il ritardo di gruppo massimo e quello minimo, per un canale alle medie latitudini in condizioni moderate risulta essere pari a 4.94 ms, come è stato verificato attraverso le simulazioni effettuate sotto le seguenti condizioni:

Frequenza trasmessa pari a 15 MHz,
Sun Spot Number di 50,
Mese di Aprile alle ore 18:00,

Nelle stesse condizioni, per un percorso one-way, lo spread Doppler simulato è pari a 0.5 Hz, mentre lo shift Doppler è pari 0.05 Hz. Tali valori simulati, sono congruenti con i risultati presentati in letteratura, come quelli ricavati sperimentalmente da Watterson, Juroshek e Bensema [12], su un percorso di 1294 km tra Long Branch, situato alla latitudine di 40°13'N, e Boulder, alla latitudine di 40°08'.