VOACAP förutspår hörbarheten med hjälp av signal-noiseförhållandet

VOACAP Quick Guide: Home

 

Jari Perkiömäki, JKP, Vasa (tidigare publicerad i Radiomaailma 10/2003, kompletterad 1.1.2004 för webbpublikation)
Översättning: Patrik Willför, PW, Vasa

VOACAP (Voice of America Coverage Analysis Program) förutspår radiovågornas framskridande på HF-området (3-30 MHz) genom statistisk sannolikhet. Programmet utvecklades ursprungligen för VOAs behov från programmet IONCAP, härav namnet. För utveckling av programmet stod U.S. Department of Commerce Institute for Telecommunication Sciences (ITS). Fel som hittats i IONCAP korrigerades och ett grafiskt gränssnitt för inmatning av information infördes. Samtidigt utvecklades även en grafisk del vid presentation av resultat.

Senare när finansieringen av VOACAP-programpaketet inte längre räckte till frigjordes programmodulen som sköter om uträkningarna (voacapw.exe), vars källkod är i Fortranspråket. Även alla binära filer blev public domain för fri spridning. Voacapw.exe filen finns inte under någon copyright lag, så den kan fritt användas på det sätt man önskar. Därför har programmet även spridit sig och blivit utvecklat bland radioamatörer och dx-lyssnare. ACE-HF och WinCap-Wizard 3 [1] är olika program som använder sig av filen.

Programpaketet ITSHFBC, som innehåller tre program för förutspående (VOACAP, ICEPAC och REC533) med tillhörande moduler finns att laddas ner gratis på internet [2]. Programmen handhas och utvecklas på hobbybasis av Gregory Hand, som även är programmeraren. Dessa tre program använder alla olika metoder för signalpropagation vid uträkning. Ett program sköter dock om inmatning, men uträkningsalgoritmerna är olika för de olika programmen. I denna artikel koncentrerar vi oss på VOACAP, eftersom artikelns skribent bäst behärskar det programmet.

Statistisk månadsprognos

VOACAP är ämnat för att räkna ut hörbarhetsområden på månatlig basis, genom att visa genomsnittliga värden för just den månad användaren önskar. VOACAP antar att de geomagnetiska förhållandena är lugna, alltså ostörda. Programmet beaktar inte graylinepropagation, eller andra speciella förhållanden.

Med programmet medföljer inga bruksanvisningar. Det finns dock gott om hjälptexter implementerade, vilka hjälper mycket vid inmatning av information. För att bedöma och tolka resultaten utifrån hjälptexterna behöver man dock även annan information. Greg Hand har på sin webbplats bruksanvisningar för ICEPAC [3] och en teknisk artikel [4], vilka till en del även ger bakgrunden till användning av VOACAP. VOACAPs grundprinciper förklaras även i ACE-HF-tutorialen, som finns att fås på internet [5]. Krångligheten i att tolka resultat kan vara en orsak till att programmet ännu inte används så mycket bland DX-lyssnare. Denna artikel försöker förklara, hur man åstadkommer goda prognoser med programmet.

Välj uppgifter för inmatning noggrannt

För att åstadkomma en noggrann prognos bör man mata in uppgifterna noggrannt och specifiera uppgifterna så gott det går, trots att värden ofta är ungefärliga. En efterföljd av detta är att resultatet också är ytterst riktgivande, och att få resultaten i ord och tolkningar kan vara svårt. Uträkningsmodellen som används i programmet antar ionosfärens beteende. Programmet baserar dig dock inte enbart på matematiska modeller, utan innehåller även empiriskt material, som korrigerar prognosen närmare sanningen. Med dessa gränsvillkor åstadkommer man goda resultat för långtida prognoser i hörbarhet för rundradiostationer. Detta betyder även att en DX-are kan ha nytta av att lära sig använda programmet, för att se när en signal teoretiskt har störst chans att nå olika håll av världen.

Exempel: Voice of Vietnam

Låt oss ta en noggrannare titt på VOACAPs inmatning av uppgifter genom att välja VoV:s Europasändning från orten Son Tay (nära Hanoi). I bild 1 finns ”huvudbilden” för VOACAP, där man fyller i de utgångsdata som behövs för att göra en prognos (hörbarhetskarta). Groups, System, Tx Antenna och Rx Antenna behandlas senare under egna rubriker för de är lite speciella och behöver funderas på.

Bild 1. VOACAP huvudbild, med typiska utgångsdata för propagation Vasa-Hanoi (Oktober 2003)

1. Method

Method, dvs uträkningsmetod för prognosen härstammar från tider då IONCAP-programmet användes med hålkort. Före data inmatas skulle man i datorn mata in vilka subprogram och utskriftsmetoder som skulle användas vid behandling av resultat. Denna procedur kallades för Method. I programmet VOACAP har man speciellt koncentrerat sig på metoderna 13, 14, 15, 20, 21, 22, 23, 25 och 30. När man undersöker en signals propagation kan man för alla kontaktmellanrum välja metod 30 (Short/Long Path Smoothing).

2. Year

Användaren kan fylla i årtalet, som kommer att synas på alla utskrifter. Årtalet används inte i uträkningarna.

3. Coefficients

I VOACAP kan man välja mellan två ionosfärmodeller: CCIR (Oslo) och URSI 88 (Australian). Användaren bör försäkra sig om att CCIR (Oslo) alltid är valt. Motivering till detta val är att ifrågavarande ionosfärmodell är anpassad för använding med VOACAP. Ifall man använder URSI är det högst troligt att prognosen är felaktig. Som vi även senare kommer att märka innehåller användargränssnittet olika alternativ, som man inte bör använda i med VOACAP. Detta främst på grund av att programmeraren Greg Hand velat hålla gränssnitten mellan ITSHFBC-programmen så lika som möjligt. I stället litar han på att användaren själv förstår sig på vad han gör.

4. Time

Här specifieras tiden för vilken prognosen gäller. Såvida vi vill ha en prognos som täcker 24 timmar, väljer vi (Start) 01 som början och (End) 24 som slut. Med Increment bestäms med hurdana tidsintervaller prognoserna görs. I punkten Units väljs UT, alltså det vi känner bättre som UTC (Universal Coordinated Time). LMT betyder Local Mean Time, som inte är användarens lokala tid, utan lokal soltid. Användning av Start, End-, Increment- och Unitsparametrarna har enbart betydelse för textbaserad presentation av resultat, inte den grafiska.

5. Transmitter/Receiver

Koordinaterna för sändarorten (Transmitter) och mottagningsorten (Receiver) fylls i för hand, eller väljs från en databas. Men VOACAP medföljer en väldigt utförlig databas med koordinater för orter runtom i världen. För Nordamerikas del är orterna indelade efter delstater, och har utförliga koordinatkataloger. För DX-lyssnaren finns även koordinaterna för flertalet rundradiostationer. Användaren kan enkelt utifrån de befintliga koordinatdatabaserna bygga upp egna koordinatdatabaser åt sig själv, eftersom databaserna är ASCII-baserade.

6. Path

Användaren väljer om han vill räkna ut resultat enligt kort (Short) eller lång (Long) väg från sändarort till mottagarort. Programmet antar att användaren vill använda kort väg. När man känner till sändarortens och mottagningsortens koordinater, räknar programmet ut riktning och distans mellan punkterna. Enligt George Lane [6] förutspår VOACAP distanser över 10.000 km ganska konservativt, så uträkningarna för långvägspropagation kan på denna punkt ge ganska tvivelaktiga resultat.

7. Freq(MHz)

Mata in eller välj de frekvenser som skall användas vid uträkning. VOACAP har tre standard frekvensgrupper, varav en är för rundradioanvändning. Alla frekvensgrupper kan dock användas, och användaren kan efterhand tillverka egna frekvensgrupper. Såvida någon frekvens inte önskas i uträkningarna används noll (0) som frekvensvärde. Vid uträkning syns frekvenserna som vågräta linjer i de grafiska utskrifterna.

8. Fprob

Godkänn alla standardvärden, förutom foEs-frekvensen. George Lane rekommenderar i sin bok [7] att man för foEs-frekvensen inte använder programmets standardvärde 0.7, utan att det ändras till noll (0.0). Standardvärdet 0.7 har konstaterats höja signalens hörbarhet med 2-4 dB från vad det på riktigt är.

I följande punkter behandlas de kritiska parametrarna Groups, System, Tx Antenna och Rx Antenna.

1. Groups

Bild 2. För oktobermånad (10.00) specifieras solfläcksvärdet 59.

I detta exempel tas enbart en månad i beräkning (oktober = 10). Totalt kan man mata in 10 månaders information i gången. Informationen fylls i enligt principen ”mm.dd” där mm är månad och dd dag (datum). Märkningen 10.00 betyder enbart oktober månad, inget datum. Som det i början konstaterades, fungerar VOACAP bäst som månadsprognoser, så dagen är i många fall onödig information. Såvida man försöker lura programmet att ge även dagen, t.ex. ”10.06” försöker VOACAP automatiskt räkna ut prognosen genom URSI 88, trots att ionosfärmodellens ändring inte ses på skärmen, förrän man ser graferna med slutresultat framför sig. URSI 88 (Australian) -ionosfärmodellen var alltså den som med stor sannolikhet ger en falsk prognos.

I VOACAP skall man fylla i ett SSN-värde för alla månader man vill räkna ut prognoser för. SSN, International Smoothed Sunspot Number är uträknad enligt Lincoln-McNish-algoritm, som är månadens utjämnade medelvärde för solfläcksvärdet. Detta värde finns på internet: ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/SOLAR_DATA/SUNSPOT_NUMBERS/sunspot.predict . Värdet ”59” är förutspått värde för oktober 2003.

2. System

Bild 3. Bestämning av variabler för systemnivå

Systemvariablernas värden har en stor betydelse i uträkningarna. Av dessa variabler är val av grund-noisenivå på mottagningsort (Man-made noise level) och krav på signal-noiseförhållandet (Required S/N ratio) viktigast.

När musens kursor är på respektive inmatningsfält, får du en instruktionsruta på engelska över fältets inverkan.

Noisenivå

Noisenivån ”155” (alltså -155 dBW/Hz) säger George Lane att kan användas på glesbyggden, där inga kraftledningar stör och där trafiken är lugn. På DX-peditioner i ödemarker kan t.o.m. värdet 164 användas.

Minimiutgångsvinkel

För stora rundradiostationer kan minimiutgångsvinkeln (Minimum takeoff angle) vara 1 grad. Detta är ett aningen konservativt värde, för t.ex. VOA använder sig av värdet 0.1 grader.

Reliabilitetsvärde

Reliabilitetsvärdet för kontaktavståndet (Required circuit reliability, i utskrifterna REQ. REL) är ett värde för hur säkert man vill uppnå de värden som är satta för Required S/N ratio (REQ. SNR). 90% är ett bra värde för detta. Denna variabel inverkar i uträkning av SNRxx- och RPWRG (Required Power Gain) -variablerna. Variablerna ”Multipath power tolerance” och ”Maximum tolerable time delay” får vara på de värden programmet föreslår.

Hörbarhetskvaliteten

Värdet för krav på signal-noiseförhållandet (Required S/N Ratio, i utskrifter REQ.SNR) bör väljas på sådant sätt att signalen kommer över noisenivån, annars fungerar kontakten inte på valda frekvenser och sändarmodulationer. REQ.SNR avbildar alltså hörbarheten och styrkan. För olika sändarmodulationer kan följande värden ges: CW 27, SSB 38 och AM 49. Som utgångspunkt vid frekvensplanering vid rundradiostationer kan man använda sig av värdet 73, som motsvarar en relativt god kvalitet på hörbarheten i AM-modulation.

Val av lämpligt REQ.SNR-värde

REQ.SNR-värdet räknas ut med formeln:
REQ.SNR [dB-Hz] = SNR [dB] + 10 * log(BW) [Hz],
där BW är bandbredd i hertz (Hz).

På detta vis kan man räkna ut minimi-REQ-SNR för AM, när mottagarens bandbredd är 4200 Hz:

REQ.SNR = 13 dB + 10 * log(4200) = 49 dB-Hz

I formeln antas att AM-sändningen just och just kan tydas, när SNR är 13 dB på mottagarens bandbredd.

För SSB:ns del kan minimi-SNR-värdet vara 5 dB, då får man med 2100 Hz bandbredd ett REQ.SNR-värde på 38 dB-Hz. Med CW kan man välja noll (0 dB) då blir REQ.SNR 28 dB-Hz med 500 Hz bandbredd.

Nedan exempel på hurdana kvalitetetsnivåer på hörbarhet VOACAPs SNR-värden motsvarar:

SNR     hörbarhet
(dB-Hz)

91      perfekt
78      god
65      relativt god
52      dålig
39      väldigt dålig

3. Tx Antenna

Bild 4. Definiering av sändarantenn, frekvens, antennens huvudriktning och i antennen matad effekt

Val av sändarantenn sker genom att välja någon antennmodell som finns implementerade i programmet, detta sker genom att klicka på TxAnt-knappen. Rundradiostationernas antennmodeller bör laddas ner skilt från internet [9]. För att kunna välja rätt typ av antenner bör man kontrollera antennernas riktverkan och utgångsvinklar, detta sker genom programmet HFAnt. I vårt exempel är det lite enklare, för enligt äldre dokument om utrustning framgår att VoV använt sig av gardinantenner av typen HRS 4/4/0.5. I VOACAPs antennmodellsamling motsvarar denna antenn koden HFBC_003.S00.

VOACAP godkänner även antenner som man modellerat själv. T.ex. NEC-Win Plus+ [8] kan spara lagrad antenninfo i sådant format som VOACAP förstår. Enkla antenner som dipoler är välmodellerade i VOACAP bland de antennmodeller som följer med programmet. Jari Perkiömäki har själv gjort modeller för 3-elements Yagi-antenner, som finns att kopieras fritt från VOACAPs Quick guide -sidorna [10].

Ofta har rundradiostationerna olika typer av antenner för olika frekvensband. Detta har i VOACAP beaktats så att fyra olika antenner kan väljas för olika frekvensområden. I vårt exempel skulle den horisontella gardinantennen vara i användning för alla frekvenser från 2 MHz (Min) till 30 MHz (Max). I Design-fältet kan man bestämma den frekvens, för vilken antennen är planerad. Designfrekvensen noll (0) betyder att den valda antennen fungerar lika bra på alla frekvensområden. Trots att en gardinantenn är bredbandig är den dock inte så här bra som i exempeluträkningen, så situationen i detta fall är snarast hypotetisk. I MainBeam-fältet fylls antennens huvudriktning in i grader. Såvida denna antenn kan riktas mot mottagningsorten görs detta enklast genom at klicka på "at Rx" -knappen. Då räknar programmet ut riktningen och fyller i det i fältet. Från diverse dokument framgår att VoV:s gardinantenn har huvudriktningen i 320 grader.

I TxPower-fältet ifylls den effekt som stationer matas ut i antennsystemet. Här fyller man alltså inte i den effekt som matas i kablarna. I exemplet har ett värde på 70 kW fyllts i, eftersom sändaren är 100 kW, och man kan anta att ca 30 kW försvinner i kablarna och andra förlustkällor.

4. Rx Antenna

Bild 5. Som mottagarantenn används en vanlig antenn. En bättre antenn förbättrar prognoserna.

Val av mottagarantenn görs från samma antennmodeller som sändarantennen, genom att klicka på Receive Antenna -knappen. Programmets standardvärde är SWWHIP.VOA, som enligt VOA förespråkar en typisk teleskopantenn i en kortvågsradio.

För alla riktantenner bör man fylla i huvudriktningen i grader i Receiver Bearing -fältet. Såvida man vill rikta antennen mot sändarorten, får man graderna genom att klicka på at Tx. Ifall en rundstrålande antenn, såsom SWWHIP används, fyller man i 0 grader.

Ifall man valt en isotropisk antenn, fyller man i Gain-fältet (antennens förstärkning) det dBi-värde antennen har. I fall av andra antenner beaktar man inte denna punkt.

Tolkning av resultat

Vi iakttar hur Voice of Vietnams sändningar hörs i Vasa i oktober 2003. VoV har en engelskspråkig sändning klockan 2030-2100 UTC på 13740 kHz. VoV sänder med 100 kW effekt i en horisontell gardinantenn HRS 4/4/0.5 med huvudriktningen mot 320 grader. I mottagningsändan har vi en teleskopantenn. SSN-värdet för oktober är antaget att vara 59.

När utgångsdata matats in i programmet, behöver man inte vänta länge på resultat. För kontrolleras vad den grafiska utskriften visar. Prognosens uträkningar startas genom att välja Graph från ”Run”-menyn. Under uträkningstiden dyker ett fönster upp, som försvinner när uträkningen är klar. Efter detta väljer vi en resultatgraf från det fönster som öppnas. De viktigaste graferna är REL, SNR och SNRxx.

Bild 6. Val av resultatgrafer (här visas det gränssnitt som författaren har översatt till finska, ursprungligen från engelska).

Parametern REL

REL (Reliability) avbildar vilken sannolikheten är att det signal-noiseförhållande som användaren knappat in uppnås (REQ.SNR = 73 dB-Hz) på en viss frekvens under en viss bestämd tid.

Parametern SNR

SNR-grafen (signal-to-noise ratio) berättar på vilken nivå signal-noiseförhållandet är (dB-Hz), alltså man kan tolka ut hur bra stationen hörs under 15 dagar av 30 under en månads tid (dvs 50% av dagarna under en månad). VOACAP berättar dock inte vilka dagar dessa 15 dagar är.

Bild 7. SNR-grafen (dvs. signal-noiseförhållandets median) avbildar kvalitetsnivån under 15 dagar av 30 under en månads tid.

På den lodräta axeln finns frekvenserna 2-30 MHz, och den vågräta axeln tiden 0-24 UTC. Färgen som är intressant i detta fall är den röda (SNR >= 80 dB-Hz; kom ihåg att för god AM-mottagning behövs 73 dB-Hz). SNR-grafen berättar att SNR är runt 70-80 dB-Hz 2030-2100 UTC på 13740 kHz. Frekvensen är strax över MUF. Det tjocka svarta strecket visar var medianfrekvensen MUF går timme för timme. Mer om MUF i följande artikel.

VoV börjar sin Europasändning på denna frekvens 1600 UTC, så man kan anta att eftermiddagssändningarna hörs bättre än senare på kvällen. Ytterligare kan man anta att sändningar i oktober månad hörs bättre på högre frekvensområden på förmiddag och tidig eftermiddag än senare på kvällen finsk tid.

Parametern SNRxx

SNRxx-grafen visar, vilken nivå på signal-noiseförhållandet man kan få under 27 dagar under en månads tid (dvs 90% av dagarna under en månad, då REQ.REL är = 90%). Denna information är den viktigaste för rundradiostationers frekvensplanering för många månader framåt. Ur grafen framgår hurdan hörbarheten är, s.g.s. varje dag under en månad. Ju större värde (=röd färg >=60 dB-Hz) desto bättre hörbarhet i månadsperspektiv.

I följande artikel koncentrerar vi oss på att gå igenom analysering av det textbaserade materialet som produceras.

KÄLLOR

[1] http://www.taborsoft.com/wwizard3/
[2] http://elbert.its.bldrdoc.gov/hf.html
[3] ftp://elbert.its.bldrdoc.gov/hf_prop/manuals/icepac_user_manual.pdf
[4] ftp://elbert.its.bldrdoc.gov/hf_prop/manuals/icepac_tech_manual.pdf
[5] http://www.acehf.com/da8.htm
[6] Jag bekantade mig med George Lane genom den bok han skrivit, och numer håller vi regelbunden kontakt per e-post. Han har över 30 års erfarenhet av HF-modelleringsprogram från tjänstgöring USAs armé och VOA. Utifrån denna korrespondens uppkom snabbguiden till användning av VOACAP.
[7] "Signal-to-Noise Predictions Using VOACAP: A User's Guide", http://elbert.its.bldrdoc.gov/pc_hf/rockwell/
[8] http://www.nittany-scientific.com
[9] http://elbert.its.bldrdoc.gov/hf_prop/antennas/hfcc.zip
[10] http://www.uwasa.fi/~jpe/voacap/, numera http://www.voacap.com

© 2004 Jari Perkiömäki, översättning: Patrik Willför 2005

Översättarens kommentar:

Jari har övat sig och gjort kartor för flera radioamatörexpeditioner, och har lyckats väldigt bra i sina prognoser. Dvs ofta har expeditionerna börjat höras ganska just precis när de borde enligt graferna. Grayline etc är fenomen som programmet som sagt inte stöder, men inbitna DXare vanligen känner till, så översättaren kan konstatera att bästa prognoserna får man genom att dels följa med konditionerna och tillämpa sina kunskaper om grayline och andra speciella förhållanden.

Några webbadresser:

Jari Perkiömäki nås på jpe [snabel-a] uwasa.fi, han läser svenska flytande, men är lite osäker då han själv skriver, så det kan hända svar kommer på finska om ni behöver fråga någonting.

Jaris artikelserie publiceras i Frekvensnytt, genom specialtillstånd, i det samma jag fick tillstånd att översätta har även tillstånd tillfallit Jari att publicera texterna på svenska på sin webbplats. Jari har även ett par artiklar på kommande, som inte publicerats någonstans, preliminärt har diskussionerna varit sådana att FQN kommer att vara den första att publicera dessa.